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Descripcioacuten del proceso de produccioacuten de vapor
Materias primas
- Agua natural- Gas Natural
Proceso del sistema de generacioacuten de vapor
Es un proceso simple que consiste en la generacioacuten de vapor
mediante un cambio de estado producido en el agua (H2O) pasando de un
estado liacutequido a gaseoso producto de un cambio de fase
Este cambio es posible gracias a un generador de vapor llamado
caldera y su funcioacuten consiste en la entrada de agua proveniente de un
tratamiento previo llamado seccioacuten pre-caldera donde el agua pasa por los
procesos de filtrado y decloracioacuten suavizado en friacuteo
El agua suavizada se mezcla con el condensado recuperado del
sistema en el tanque de alimentacioacuten de la caldera pasando antes por un
desaireador cuya funcioacuten es reducir los niveles de oxigeno disueltos a
niveles comprendidos entre (007) 8pm En este tanque se inyecta bisulfito
de sodio contrarrestando los niveles de oxigeno que no pudieron ser
eliminados de forma mecaacutenica luego es introducida al domo de la caldera
que tiene como funcioacuten distribuir el liacutequido por las tuberiacuteas que se
encuentran en las paredes de la caldera
Provocando una combustioacuten interna mediante la inyeccioacuten de gas
natural se genera una energiacutea teacutermica la cual es transmitida por radiacioacuten
a las tuberiacuteas que transportan internamente una circulacioacuten natural de agua
durante este recorrido ocurre el cambio de estado despueacutes que se encuentra
en estado de vapor es llevado nuevamente al domo y luego es suministrado
para su consumo
Despueacutes de su aprovechamiento gran parte es recuperado invirtiendo
el proceso gracias a los condensadores y separadores cambiando dolo
nuevamente al estado liacutequido siendo asiacute bombeado al tanque de
alimentacioacuten
CAPITULO III(Marco teoacuterico)
1- Principios de Termodinaacutemica
11 Unidades y Dimensiones
a) Mol y fraccioacuten de mol
b) Densidad y peso especiacutefico
c) Medidas de concentracioacuten
d) Temperatura
e) Presioacuten
Las unidades son el medio de expresar las dimensiones como pies o
centiacutemetros para la longitud o bien horas o segundos para el tiempo Las
unidades se asocian con algunas cantidades que usted pudo haber
considerado con anterioridad como adimensionales
11 Definicioacuten de mol
La mejor respuesta es que un mol es cierto nuacutemero de
moleacuteculas aacutetomos electrones u otro tipo o partiacuteculas especiacuteficas En
particular en 1969 el comiteacute internacional de pesos y medidas
aproboacute la mole (siacutembolo mol en SI) como ldquola cantidad de una
sustancia que contiene
tantas entidades elementales como nuacutemeros de aacutetomos hay en
0012 Kg de carbono 12rdquo
En el SI un mol tiene casi 6023 x 10 23 moleacuteculas para
convertir el nuacutemero de moles en masa hacemos uso del peso
molecular
Masa en grs
El grs mol =
Peso molecular
Masa en gramos = (peso mol) (gramos mol)
12 Densidad
La densidad es la relacioacuten de la masa por unidad de volumen
como por ejemplo Kg m 3 oacute lb ft 3 Tiene tanto valor numeacuterico
como unidades Para determinar la densidad de una sustancia se
podriacutea encontrar tanto su volumen como su masa o peso La
densidad(o peso especiacutefico) de un liacutequido comuacutenmente se mide con
hidroacutemetro (se sumergen en el liacutequido peso y volumen conocido y se
observa la profundidad a la cual penetra dentro del liacutequido)
12 Peso Especiacutefico
El peso especiacutefico es una relacioacuten adimensional Se considera como
la relacioacuten de dos densidades (la de la sustancia de intereacutes A con la
sustancia de referencia) Con siacutembolo
(Lbft3) A (grscm3)A
(Kgm3)A
p esp = peso especiacutefico = = =
(lb ft 3 )ref (grscm3)ref
(Kgm3)ref
La sustancia de referencia para liacutequidos y soacutelidos casi siempre es el
agua Por consiguiente el peso especiacutefico es la relacioacuten de la densidad de la
sustancia en cuestioacuten con la densidad del agua Con frecuencia el peso
especiacutefico de los gases se refiere al aire pero se puede referir a otros gases
13Volumen especiacutefico
El volumen especiacutefico de cualquier compuesto es la inversa de la
densidad esto es el volumen por unidad de masa o cantidad unitaria de
materia Las unidades de volumen especiacutefico podriacutean ser ft3lbm ft3lb
mol cm3grs bbllbm m3Kg o relaciones semejantes
14Fraccioacuten mol y fraccioacuten peso
La fraccioacuten mol es simplemente las moles de una sustancia
determinada divididas entre el nuacutemero total de moles presentes Esta
definicioacuten se aplica a gases liacutequidos y soacutelidos De manera semejante la
fraccioacuten peso no es otra cosa que el peso de la sustancia dividido del
peso total de todas las sustancias presentes Matemaacuteticamente estas
ideas se pueden expresar como
Moles de A
Fraccioacuten mol de A =
Moles totales
15 Anaacutelisis de gases
El anaacutelisis de gases tales como el aire productos de combustioacuten y
otros parecidos por lo regular se realiza sobre la base seca (esto es el
vapor de agua se excluye de este anaacutelisis) Dicho anaacutelisis se conoce
como anaacutelisis de Orsay Praacutecticamente en todos los casos el anaacutelisis de
gas se efectuacutea sobre una base volumeacutetrica que para gases ideales es lo
mismo que en base molar Consideacuterese un anaacutelisis de gases tiacutepicos es
decir de aire el cual aproximadamente es
21 de Oxigeno + 79 Nitroacutegeno = 100 Total
Esto significa que cualquier muestra de aire contendraacute 21 de
Oxigeno en volumen y 21 de mol de Oxigeno
16 Concentraciones
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
a las tuberiacuteas que transportan internamente una circulacioacuten natural de agua
durante este recorrido ocurre el cambio de estado despueacutes que se encuentra
en estado de vapor es llevado nuevamente al domo y luego es suministrado
para su consumo
Despueacutes de su aprovechamiento gran parte es recuperado invirtiendo
el proceso gracias a los condensadores y separadores cambiando dolo
nuevamente al estado liacutequido siendo asiacute bombeado al tanque de
alimentacioacuten
CAPITULO III(Marco teoacuterico)
1- Principios de Termodinaacutemica
11 Unidades y Dimensiones
a) Mol y fraccioacuten de mol
b) Densidad y peso especiacutefico
c) Medidas de concentracioacuten
d) Temperatura
e) Presioacuten
Las unidades son el medio de expresar las dimensiones como pies o
centiacutemetros para la longitud o bien horas o segundos para el tiempo Las
unidades se asocian con algunas cantidades que usted pudo haber
considerado con anterioridad como adimensionales
11 Definicioacuten de mol
La mejor respuesta es que un mol es cierto nuacutemero de
moleacuteculas aacutetomos electrones u otro tipo o partiacuteculas especiacuteficas En
particular en 1969 el comiteacute internacional de pesos y medidas
aproboacute la mole (siacutembolo mol en SI) como ldquola cantidad de una
sustancia que contiene
tantas entidades elementales como nuacutemeros de aacutetomos hay en
0012 Kg de carbono 12rdquo
En el SI un mol tiene casi 6023 x 10 23 moleacuteculas para
convertir el nuacutemero de moles en masa hacemos uso del peso
molecular
Masa en grs
El grs mol =
Peso molecular
Masa en gramos = (peso mol) (gramos mol)
12 Densidad
La densidad es la relacioacuten de la masa por unidad de volumen
como por ejemplo Kg m 3 oacute lb ft 3 Tiene tanto valor numeacuterico
como unidades Para determinar la densidad de una sustancia se
podriacutea encontrar tanto su volumen como su masa o peso La
densidad(o peso especiacutefico) de un liacutequido comuacutenmente se mide con
hidroacutemetro (se sumergen en el liacutequido peso y volumen conocido y se
observa la profundidad a la cual penetra dentro del liacutequido)
12 Peso Especiacutefico
El peso especiacutefico es una relacioacuten adimensional Se considera como
la relacioacuten de dos densidades (la de la sustancia de intereacutes A con la
sustancia de referencia) Con siacutembolo
(Lbft3) A (grscm3)A
(Kgm3)A
p esp = peso especiacutefico = = =
(lb ft 3 )ref (grscm3)ref
(Kgm3)ref
La sustancia de referencia para liacutequidos y soacutelidos casi siempre es el
agua Por consiguiente el peso especiacutefico es la relacioacuten de la densidad de la
sustancia en cuestioacuten con la densidad del agua Con frecuencia el peso
especiacutefico de los gases se refiere al aire pero se puede referir a otros gases
13Volumen especiacutefico
El volumen especiacutefico de cualquier compuesto es la inversa de la
densidad esto es el volumen por unidad de masa o cantidad unitaria de
materia Las unidades de volumen especiacutefico podriacutean ser ft3lbm ft3lb
mol cm3grs bbllbm m3Kg o relaciones semejantes
14Fraccioacuten mol y fraccioacuten peso
La fraccioacuten mol es simplemente las moles de una sustancia
determinada divididas entre el nuacutemero total de moles presentes Esta
definicioacuten se aplica a gases liacutequidos y soacutelidos De manera semejante la
fraccioacuten peso no es otra cosa que el peso de la sustancia dividido del
peso total de todas las sustancias presentes Matemaacuteticamente estas
ideas se pueden expresar como
Moles de A
Fraccioacuten mol de A =
Moles totales
15 Anaacutelisis de gases
El anaacutelisis de gases tales como el aire productos de combustioacuten y
otros parecidos por lo regular se realiza sobre la base seca (esto es el
vapor de agua se excluye de este anaacutelisis) Dicho anaacutelisis se conoce
como anaacutelisis de Orsay Praacutecticamente en todos los casos el anaacutelisis de
gas se efectuacutea sobre una base volumeacutetrica que para gases ideales es lo
mismo que en base molar Consideacuterese un anaacutelisis de gases tiacutepicos es
decir de aire el cual aproximadamente es
21 de Oxigeno + 79 Nitroacutegeno = 100 Total
Esto significa que cualquier muestra de aire contendraacute 21 de
Oxigeno en volumen y 21 de mol de Oxigeno
16 Concentraciones
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
11 Unidades y Dimensiones
a) Mol y fraccioacuten de mol
b) Densidad y peso especiacutefico
c) Medidas de concentracioacuten
d) Temperatura
e) Presioacuten
Las unidades son el medio de expresar las dimensiones como pies o
centiacutemetros para la longitud o bien horas o segundos para el tiempo Las
unidades se asocian con algunas cantidades que usted pudo haber
considerado con anterioridad como adimensionales
11 Definicioacuten de mol
La mejor respuesta es que un mol es cierto nuacutemero de
moleacuteculas aacutetomos electrones u otro tipo o partiacuteculas especiacuteficas En
particular en 1969 el comiteacute internacional de pesos y medidas
aproboacute la mole (siacutembolo mol en SI) como ldquola cantidad de una
sustancia que contiene
tantas entidades elementales como nuacutemeros de aacutetomos hay en
0012 Kg de carbono 12rdquo
En el SI un mol tiene casi 6023 x 10 23 moleacuteculas para
convertir el nuacutemero de moles en masa hacemos uso del peso
molecular
Masa en grs
El grs mol =
Peso molecular
Masa en gramos = (peso mol) (gramos mol)
12 Densidad
La densidad es la relacioacuten de la masa por unidad de volumen
como por ejemplo Kg m 3 oacute lb ft 3 Tiene tanto valor numeacuterico
como unidades Para determinar la densidad de una sustancia se
podriacutea encontrar tanto su volumen como su masa o peso La
densidad(o peso especiacutefico) de un liacutequido comuacutenmente se mide con
hidroacutemetro (se sumergen en el liacutequido peso y volumen conocido y se
observa la profundidad a la cual penetra dentro del liacutequido)
12 Peso Especiacutefico
El peso especiacutefico es una relacioacuten adimensional Se considera como
la relacioacuten de dos densidades (la de la sustancia de intereacutes A con la
sustancia de referencia) Con siacutembolo
(Lbft3) A (grscm3)A
(Kgm3)A
p esp = peso especiacutefico = = =
(lb ft 3 )ref (grscm3)ref
(Kgm3)ref
La sustancia de referencia para liacutequidos y soacutelidos casi siempre es el
agua Por consiguiente el peso especiacutefico es la relacioacuten de la densidad de la
sustancia en cuestioacuten con la densidad del agua Con frecuencia el peso
especiacutefico de los gases se refiere al aire pero se puede referir a otros gases
13Volumen especiacutefico
El volumen especiacutefico de cualquier compuesto es la inversa de la
densidad esto es el volumen por unidad de masa o cantidad unitaria de
materia Las unidades de volumen especiacutefico podriacutean ser ft3lbm ft3lb
mol cm3grs bbllbm m3Kg o relaciones semejantes
14Fraccioacuten mol y fraccioacuten peso
La fraccioacuten mol es simplemente las moles de una sustancia
determinada divididas entre el nuacutemero total de moles presentes Esta
definicioacuten se aplica a gases liacutequidos y soacutelidos De manera semejante la
fraccioacuten peso no es otra cosa que el peso de la sustancia dividido del
peso total de todas las sustancias presentes Matemaacuteticamente estas
ideas se pueden expresar como
Moles de A
Fraccioacuten mol de A =
Moles totales
15 Anaacutelisis de gases
El anaacutelisis de gases tales como el aire productos de combustioacuten y
otros parecidos por lo regular se realiza sobre la base seca (esto es el
vapor de agua se excluye de este anaacutelisis) Dicho anaacutelisis se conoce
como anaacutelisis de Orsay Praacutecticamente en todos los casos el anaacutelisis de
gas se efectuacutea sobre una base volumeacutetrica que para gases ideales es lo
mismo que en base molar Consideacuterese un anaacutelisis de gases tiacutepicos es
decir de aire el cual aproximadamente es
21 de Oxigeno + 79 Nitroacutegeno = 100 Total
Esto significa que cualquier muestra de aire contendraacute 21 de
Oxigeno en volumen y 21 de mol de Oxigeno
16 Concentraciones
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
En el SI un mol tiene casi 6023 x 10 23 moleacuteculas para
convertir el nuacutemero de moles en masa hacemos uso del peso
molecular
Masa en grs
El grs mol =
Peso molecular
Masa en gramos = (peso mol) (gramos mol)
12 Densidad
La densidad es la relacioacuten de la masa por unidad de volumen
como por ejemplo Kg m 3 oacute lb ft 3 Tiene tanto valor numeacuterico
como unidades Para determinar la densidad de una sustancia se
podriacutea encontrar tanto su volumen como su masa o peso La
densidad(o peso especiacutefico) de un liacutequido comuacutenmente se mide con
hidroacutemetro (se sumergen en el liacutequido peso y volumen conocido y se
observa la profundidad a la cual penetra dentro del liacutequido)
12 Peso Especiacutefico
El peso especiacutefico es una relacioacuten adimensional Se considera como
la relacioacuten de dos densidades (la de la sustancia de intereacutes A con la
sustancia de referencia) Con siacutembolo
(Lbft3) A (grscm3)A
(Kgm3)A
p esp = peso especiacutefico = = =
(lb ft 3 )ref (grscm3)ref
(Kgm3)ref
La sustancia de referencia para liacutequidos y soacutelidos casi siempre es el
agua Por consiguiente el peso especiacutefico es la relacioacuten de la densidad de la
sustancia en cuestioacuten con la densidad del agua Con frecuencia el peso
especiacutefico de los gases se refiere al aire pero se puede referir a otros gases
13Volumen especiacutefico
El volumen especiacutefico de cualquier compuesto es la inversa de la
densidad esto es el volumen por unidad de masa o cantidad unitaria de
materia Las unidades de volumen especiacutefico podriacutean ser ft3lbm ft3lb
mol cm3grs bbllbm m3Kg o relaciones semejantes
14Fraccioacuten mol y fraccioacuten peso
La fraccioacuten mol es simplemente las moles de una sustancia
determinada divididas entre el nuacutemero total de moles presentes Esta
definicioacuten se aplica a gases liacutequidos y soacutelidos De manera semejante la
fraccioacuten peso no es otra cosa que el peso de la sustancia dividido del
peso total de todas las sustancias presentes Matemaacuteticamente estas
ideas se pueden expresar como
Moles de A
Fraccioacuten mol de A =
Moles totales
15 Anaacutelisis de gases
El anaacutelisis de gases tales como el aire productos de combustioacuten y
otros parecidos por lo regular se realiza sobre la base seca (esto es el
vapor de agua se excluye de este anaacutelisis) Dicho anaacutelisis se conoce
como anaacutelisis de Orsay Praacutecticamente en todos los casos el anaacutelisis de
gas se efectuacutea sobre una base volumeacutetrica que para gases ideales es lo
mismo que en base molar Consideacuterese un anaacutelisis de gases tiacutepicos es
decir de aire el cual aproximadamente es
21 de Oxigeno + 79 Nitroacutegeno = 100 Total
Esto significa que cualquier muestra de aire contendraacute 21 de
Oxigeno en volumen y 21 de mol de Oxigeno
16 Concentraciones
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
El peso especiacutefico es una relacioacuten adimensional Se considera como
la relacioacuten de dos densidades (la de la sustancia de intereacutes A con la
sustancia de referencia) Con siacutembolo
(Lbft3) A (grscm3)A
(Kgm3)A
p esp = peso especiacutefico = = =
(lb ft 3 )ref (grscm3)ref
(Kgm3)ref
La sustancia de referencia para liacutequidos y soacutelidos casi siempre es el
agua Por consiguiente el peso especiacutefico es la relacioacuten de la densidad de la
sustancia en cuestioacuten con la densidad del agua Con frecuencia el peso
especiacutefico de los gases se refiere al aire pero se puede referir a otros gases
13Volumen especiacutefico
El volumen especiacutefico de cualquier compuesto es la inversa de la
densidad esto es el volumen por unidad de masa o cantidad unitaria de
materia Las unidades de volumen especiacutefico podriacutean ser ft3lbm ft3lb
mol cm3grs bbllbm m3Kg o relaciones semejantes
14Fraccioacuten mol y fraccioacuten peso
La fraccioacuten mol es simplemente las moles de una sustancia
determinada divididas entre el nuacutemero total de moles presentes Esta
definicioacuten se aplica a gases liacutequidos y soacutelidos De manera semejante la
fraccioacuten peso no es otra cosa que el peso de la sustancia dividido del
peso total de todas las sustancias presentes Matemaacuteticamente estas
ideas se pueden expresar como
Moles de A
Fraccioacuten mol de A =
Moles totales
15 Anaacutelisis de gases
El anaacutelisis de gases tales como el aire productos de combustioacuten y
otros parecidos por lo regular se realiza sobre la base seca (esto es el
vapor de agua se excluye de este anaacutelisis) Dicho anaacutelisis se conoce
como anaacutelisis de Orsay Praacutecticamente en todos los casos el anaacutelisis de
gas se efectuacutea sobre una base volumeacutetrica que para gases ideales es lo
mismo que en base molar Consideacuterese un anaacutelisis de gases tiacutepicos es
decir de aire el cual aproximadamente es
21 de Oxigeno + 79 Nitroacutegeno = 100 Total
Esto significa que cualquier muestra de aire contendraacute 21 de
Oxigeno en volumen y 21 de mol de Oxigeno
16 Concentraciones
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La fraccioacuten mol es simplemente las moles de una sustancia
determinada divididas entre el nuacutemero total de moles presentes Esta
definicioacuten se aplica a gases liacutequidos y soacutelidos De manera semejante la
fraccioacuten peso no es otra cosa que el peso de la sustancia dividido del
peso total de todas las sustancias presentes Matemaacuteticamente estas
ideas se pueden expresar como
Moles de A
Fraccioacuten mol de A =
Moles totales
15 Anaacutelisis de gases
El anaacutelisis de gases tales como el aire productos de combustioacuten y
otros parecidos por lo regular se realiza sobre la base seca (esto es el
vapor de agua se excluye de este anaacutelisis) Dicho anaacutelisis se conoce
como anaacutelisis de Orsay Praacutecticamente en todos los casos el anaacutelisis de
gas se efectuacutea sobre una base volumeacutetrica que para gases ideales es lo
mismo que en base molar Consideacuterese un anaacutelisis de gases tiacutepicos es
decir de aire el cual aproximadamente es
21 de Oxigeno + 79 Nitroacutegeno = 100 Total
Esto significa que cualquier muestra de aire contendraacute 21 de
Oxigeno en volumen y 21 de mol de Oxigeno
16 Concentraciones
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La concentracioacuten significa la cantidad de alguacuten soluto por la
cantidad fija de solvente o solucioacuten en una mezcla de dos o maacutes
componentes
17 Temperatura
La temperatura es una medida de la energiacutea teacutermica del
movimiento aleatorio de las moleacuteculas de una sustancia en equilibrio
teacutermico Regularmente la temperatura se mide en grados Fahrenheit
o Celsius (centiacutegrados)
Nuestro concepto de temperatura con probabilidad se origino
de nuestro sentido fiacutesico de lo caliente y de lo friacuteo Las tentativas en
ser maacutes especiacuteficos y cuantitativos nos llevan a la idea de una escala
de temperatura y del termoacutemetro (un aparato para medir que tan
caliente o friacuteo es algo)
18 Presioacuten
Se entiende por presioacuten la fuerza por unidad de aacuterea
La medicioacuten de las presiones absolutas o relativas depende de
la naturaleza del instrumento usado por ejemplo un manoacutemetro con
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
uno de sus extremos abiertos determina una presioacuten relativa ya que
las referencias para el extremo abierto es la presioacuten de la atmoacutesfera
en el extremo abierto del manoacutemetro
Por otra parte obstruyendo el extremo del manoacutemetro y
creando un vacioacute en dicho extremo da por resultado una medicioacuten
para un vaciacuteo completo o para ldquoausencia de presioacutenrdquo Esta medicioacuten
se conoce como presioacuten absoluta Dado que la presioacuten absoluta se
basa en un vaciacuteo total ldquoun punto de referencia fijo que es invariable a
pesar de la localizacioacuten o de la temperatura o del clima o de diversos
factoresrdquo la presioacuten absoluta establece un valor preciso e invariable
el cual puede identificarse con facilidad Asiacute que el punto cero para
una escala de presioacuten absoluta corresponde a un vaciacuteo perfecto
mientras que el punto cero para una escala de presioacuten relativa por
regular corresponde a la presioacuten del aire que nos rodea en todo
momento
19Presioacuten atmosfeacuterica
Es la presioacuten del aire y del medio atmosfeacuterico que nos rodea y
que baria diacutea con diacutea
110 Presioacuten baromeacutetrica
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Es igual a la presioacuten atmosfeacuterica ldquollamada presioacuten
baromeacutetricardquo debido a que se emplea un baroacutemetro para medir la
presioacuten atmosfeacuterica
111 Presioacuten absoluta
Es una medicioacuten de presioacuten con respecto a un vaciacuteo total o
presioacuten cero
112 Presioacuten manomeacutetrica
Es la presioacuten expresada como una cantidad medida a partir de
la presioacuten atmosfeacuterica o con respecto a alguna otra presioacuten de
referencia
113 Vaciacuteo
Es un meacutetodo de expresar la presioacuten como una cantidad menor
a la presioacuten atmosfeacuterica (o alguna otra presioacuten de referencia)
115 La estequiometriacutea
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Se trata de los pesos combinados de elementos y compuestos
Las relaciones obtenidas de acuerdo a los coeficientes numeacutericos en la
ecuacioacuten quiacutemica son las relaciones estequiomeacutetricas que permiten
calcular las moles de una sustancia cuando se relacionan con las moles
de otras sustancias en la ecuacioacuten quiacutemica
116 Balance de materia
Balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y
cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema
= = _ + _
117 Aire Teoacuterico
Es la cantidad de aire (u oxigeno) requerido para introducirse
al proceso para una combustioacuten completa
118 Exceso de aire
El exceso de aire (u oxigeno) seria la cantidad de aire en
exceso con respecto al requerido para una combustioacuten completa
Acumulacioacuten de las masas en
el sistema
Entrada de masas a
traveacutes de los liacutemites del
sistema
Salida de masa a traveacutes de los liacutemites del sistema
Generacioacuten de masa en el
sistema
Consumo de masa en el
sistema
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Exceso de aire
del exceso de aire = 100
Exceso requerido
119 Gas de combustioacuten
Todos los gases que resultan de un proceso de combustioacuten
incluyendo el vapor de agua algunas veces conocido como base
huacutemeda
120 Densidad de un gas
La densidad de un gas se define como la masa por unidad de
volumen y se puede expresar en kilogramos por metros cuacutebicos
gramos por litros u otras unidades
121 Peso especiacutefico de un gas
Es la relacioacuten de la densidad del gas a temperatura y presioacuten
deseada y la densidad del aire (o cualquier gas de referencia
especificado) a cierta presioacuten y temperatura
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Densidad del elemento
Peso especiacutefico es igual =
Densidad del aire (o cualquier gas)
122 Ley de Dalton
Postulo que la presioacuten total de un gas es igual a las sumas de
las presiones ejercidas por las moleacuteculas individuales de cada gas
componente
P1 P2 = n1 n2
123 Ley de Amagat
Amagat establecioacute que el volumen total de una mezcla gaseosa
es igual a la suma de los voluacutemenes de los componentes gaseosos
individuales si se midieran a la misma temperatura y a la
misma presioacuten total de todas las moleacuteculas
V1 V2 = N1 N2
124 Estado criacutetico
Es un conjunto de condiciones fiacutesicas a las cuales la densidad
y otras propiedades del liacutequido y del vapor llegan a ser ideacutenticas
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
125 Gas saturado
Cuando cualquier gas puro (o una mezcla gaseosa) entra en
contacto con un liacutequido el gas tomaraacute vapor del liacutequido Si se
mantiene en contacto durante un tiempo considerable se alcanza el
equilibrio y al mismo tiempo la presioacuten parcial del vapor igualaraacute la
presioacuten de vapor del liacutequido a la temperatura del sistema Sin tener
en cuenta la duracioacuten del contacto entre el liacutequido y el gas despueacutes
de que se alcanza el tiempo de duracioacuten del contacto entre el liacutequido
y el gas despueacutes de que se alcanza el equilibrio no vaporizaraacute maacutes
liacutequido neto en la fase gaseosa Entonces se dice que el gas estaacute
saturado con el vapor particular a la temperatura dada
126 Saturacioacuten absoluta
Es la relacioacuten de las moles de vapor por mol de gas libre de
vapor con las moles de vapor que estariacutean presente por mol de gas
libre de vapor si la mezcla estuviera completamente saturada a la
temperatura y presioacuten total
127 Balance energiacutea
Consiste en medir las energiacuteas de un sistema mediante los
principios de la primera ley de la termodinaacutemica en donde las
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
cantidades o condiciones de operacioacuten dentro del sistema cambian
con el tiempo
128 Sistema
Cualquier masa de materia o parte de un aparato especificado
Un sistema se debe definir rodeaacutendolo con un liacutemite (frontera) del
sistema encerrado por una frontera o liacutemite te impide la transferencia
de masa a traveacutes de el se conoce como un sistema cerrado o sistema
sin flujo En comparacioacuten con el sistema abierto o sistema continuo
en el que el intercambio de masa se permite Toda la masa o aparato
externo al sistema definido se conoce con el nombre de alrededores
129 Propiedad
Es una caracteriacutestica de la materia que se puede medir como
la presioacuten el volumen o la temperatura Las propiedades de un
sistema son dependientes de su condicioacuten en cualquier momento
dado y no lo que ha sucedido en el sistema
130 Estado
Es la materia con un conjunto determinado de propiedades en
un momento dado
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
131 Calor
Se define como la parte del flujo de energiacutea total a traveacutes de un
liacutemite del sistema que se produce por la diferencia de temperatura
entre sistema y los alrededores el calor puede ser intercambiado por
conduccioacuten conveccioacuten o radiacioacuten
132 Trabajo
Es la energiacutea transferida entre el sistema y sus alrededores por
medio de una fuerza vectorial en los liacutemites del sistema
133 Energiacutea cineacutetica
Es la energiacutea que posee un sistema a causa de su velocidad
relativa con los alrededores
134 Energiacutea potencial
Es la energiacutea que posee un sistema debido a la fuerza que
ejerce el campo gravitacional sobre la masa de un cuerpo con
respecto a la superficie de referencia
135 Energiacutea Interna
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Es una medida macroscoacutepica de las energiacuteas molecular
atoacutemica y subatoacutemica las cuales siguen las reglas de conservacioacuten
microscoacutepica definidas para los sistemas dinaacutemicos
136 Entalpiacutea
Es la combinacioacuten de dos variables que apareceraacuten con
frecuencia en el balance de energiacutea donde p es la presioacuten y V es el
volumen
137 Capacidad caloriacutefica
Las capacidades caloriacuteficas se han definido como
Cp = ( partĤ partT )p
Cv = ( partUcirc partT )v
Representan la cantidad de energiacutea requerida para incrementar la
temperatura de una sustancia en 1 grado energiacutea que podriacutea
proporcionarse por transferencia de calor en cierto proceso
especializado
2 Calderas o generadores de vapor
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Definicioacuten
Son dispositivos para la produccioacuten de vapor y transmisioacuten de calor
procedente de una fuente externa (generalmente combustioacuten de alguacuten
combustible) a un fluido contenido dentro de la misma caldera
transformaacutendose continuamente en vapor
Trabajo y uso
Sus caracteriacutesticas variacutean de acuerdo con la naturaleza del servicio que
prestan Las calderas residen baacutesicamente las denominaciones de
estacionarias (las instaladas en tierra) y moacuteviles (para naviacuteos y
locomotoras)
Las calderas estacionarias se utilizan para calefaccioacuten de edificios para
plantas de calefaccioacuten central de servicios puacuteblicos como plantas de vapor
para procesos industriales plantas de vapor para centrales termoeleacutectricas
locales centrales de fuerzas para servicios puacuteblicos(plantas
termoeleacutectricas) o unidades generadoras para servicios especiales Las
calderas portaacutetiles incluyen las de tipo locomovible usada en los campos
petroleras y en los aserraderos los generadores de vapor pequentildeos y los
que utilizan para malacates de vapor tan familiarizados con las obras de
construccioacuten Las mayoriacuteas de las calderas con caja de fuego de acero se
califican entre las portaacutetiles
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Las calderas moacuteviles para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto Una
maacutequina de vapor complementaria que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera es una unidad pequentildea portaacutetil dedicada a
trabajos auxiliares Se utilizan a bordo de los buques en explotaciones
madereras y en las obras de construccioacuten
Las calderas de calefaccioacuten se califican frecuentemente como residenciales o como comerciales Se acostumbra tambieacuten a establecer una diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerzas termoeleacutectricas
Fundamentos
La transformacioacuten del agua en vapor ocurre por la absorcioacuten de
energiacutea suministrada en forma de calor Este proceso se nos haraacute faacutecil de
entender si lo asociamos con lo que ocurre diariamente en nuestras casas
cuando una olla o una cafetera son colocadas sobre las llamas de la cocina
Los procesos que envuelve la transferencia de calor se realizan en
tres formas
- Conduccioacuten
- Conveccioacuten
- Radiacioacuten
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Conduccioacuten
La conduccioacuten es el movimiento de la energiacutea a traveacutes de la materia
o sustancia y es resultado de la transmisioacuten de calor de unas moleacuteculas
calentadas a las adyacencias maacutes friacuteas
Los distintos materiales y sustancias difieren grandemente en cuanto
a capacidad para producir calor
a) Los gases y vapores son pobres conductores
b) Los liacutequidos son regulares conductores
c) Los metales son buenos conductores
ldquoLa conduccioacuten de calor es medida como conductividad teacutermicardquo
Conveccioacuten
Es la difusioacuten del calor por el movimiento de la mismas materia
calentada ldquoCuando un fluido cualquiera (liacutequido gas o vapor) es
calentado su densidad (peso- volumen) disminuyerdquo El calor que conduce
esta corriente de conveccioacuten seraacute dado por conduccioacuten a los cuerpos
encontrados en las trayectorias Si al flujo que hacemos referencia es
originado por la sola diferencia de densidad se dice que la conveccioacuten es
natural si el flujo es ayudado por la bomba o ventilador se llamaraacute
conveccioacuten forzada
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Radiacioacuten
La radiacioacuten de energiacutea es un proceso de transferencia de calor La
radiacioacuten no necesita medios de transmisioacuten y por ello se mueve a traveacutes
del vaciacuteo tambieacuten como a traveacutes del aire o los gases
Un ejemplo de radiacioacuten es la energiacutea que recibimos del sol
La radiacioacuten viaja igual que las ondas de la luz y por tanto un
cuerpo expuesto a una fuente de radiacioacuten seraacute calentado solo por el lado
que la recibe mientras que el otro lado permanece friacuteo
La cantidad de energiacutea que en un cuerpo puede irradiar variacutea
directamente con su temperatura
Los cuerpos situados uno frente a otro radiaraacuten energiacutea entre siacute de
acuerdo a sus respectivas temperaturas la cantidad neta de energiacutea
transferida desde el cuerpo maacutes caliente al maacutes friacuteo seraacute igual a la
diferencia entre las dos radiaciones
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Casi todas las transferencias praacutecticas del calor envuelven dos o tres
de los meacutetodos expuestos
Clasificacioacuten de las calderas
Las calderas se clasifican basaacutendose en las caracteriacutesticas siguientes
1 Presioacuten
2 Materiales de que estaacuten construidos
3 Tamantildeo
4 Contenido de los tubos
5 Forma y posicioacuten de los tubos
6 Sistema del fogoacuten
7 Fuente de calor
8 Clase de combustible
9 Fluido utilizado
10Sistema de circulacioacuten
11Posicioacuten del hogar
12Tipo de fogoacuten
13Forma general
14Nombre registrado del fabricante
15Propiedades especiales
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
a Presiones
Calderas de calefaccioacuten de baja presioacuten se comprenden todas las
calderas de vapor que no exceden de 105 Kgcm2 (15 lbplg2) y todas
las calderas para agua caliente que operan a presiones que no exceden
de 1125kgcm2 (160 lbplg2) y cuyas temperaturas no sobrepasan 121
degC (250 degF)
Calderas para generacioacuten de fuerzas Se consideran dentro de esta
seccioacuten todas aquellas calderas cuyas condiciones de operacioacuten
sobrepasan los liacutemites sentildealados en el paacuterrafo anterior
Se consideran como calderas de miniatura todos aquellos tanques de
presioacuten sometidos a fuego que exceden los liacutemites siguientes
a) Diaacutemetro interior del casco 406 mm (16rdquo)
b) Volumen maacuteximo de 0141 m3 (5 ft3) excluyendo la cubierta y el
aislamiento
c) Superficie de calefaccioacuten de 186 m2 (20 ft2)
d) 7 Kgcm2 (100 lbplg2) depresioacuten maacutexima de trabajo
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
b Materiales
Las calderas por general se realizan en hierro colado o acero
Calderas de hierro colado producidas por las fundiciones de hierro gris
se componen de ciertos nuacutemeros de cesioacuten interconectadas por niples
de presioacuten o individualmente por medios de cabezales de exteriores
Calderas de acero son fabricadas con laacuteminas de acero procedentes de
trenes de laminacioacuten y con fluses de acero Las planchas de acero son
unidas por medio de la costura de remache o por costura de soldadura
(el remachado seacute a sustituido generalmente por la soldadura) Los tubos
se insertan dentro del tambor en los cabezales o en las placas de
soporte siendo expandido rolados o soldados para obtener una junta
impermeable
c Tamantildeo
Las calderas por su tamantildeo son establecidas de acuerdo a las necesidades
de produccioacuten de la empresa acorde a las medidas del instituto de
manufactureros de calderas y radiadores y la de Steel Boilerd institute
(SBI)
d Contenido de los tubos
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero hay dos clases
generalizadas de calderas de acero las calderas de tubo de humo y las
calderas de agua o acuatubular
Calderas de tubos de humo estas son calderas dotadas de tubos rectos
rodeados de agua y a traveacutes de cuyo interior pasan los gases de la
combustioacuten Estos tubos se instalan en la parte inferior de un tambor
sencillo o de un casco abajo del nivel del agua
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Calderas acuatubulares en estas calderas los tubos contienen
en su interior el vapor o el agua mientras que el fuego es aplicado en la
superficie exterior de los mismos Los tubos generalmente unidos a uno
o
maacutes Domos se disponen ya sea paralelos al eje de la caldera o en
aacutengulo recto con respecto al mismo Los domos van colocados
horizontalmente por lo regular
e Forma y posicioacuten de los tubos o fluses
La superficie de calefaccioacuten de los tubos o fluses se pueden clasificar
Por la forma de los mismos (rectos curvos o sinuosos)
Por su disposicioacuten horizontal inclinada o vertical
f Combustioacuten
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La caldera puede ser un recipiente de presioacuten operado por fuego o
por otros sistemas de suministro de calor Las calderas operadas por
fuego reciben el calor aplicado de la combustioacuten de alguacuten producto
combustible Una caldera no operada mediante fuego recibe el calor
necesario de cualquiera otra fuente que no sea la combustioacuten
g Fuentes de calor
El calor puede ser derivado de
La combustioacuten de combustible (soacutelidos liacutequidos gaseosos)
Los gases calientes de desperdicios de otras reacciones quiacutemicas
La aplicacioacuten de la energiacutea eleacutectrica
El empleo de la energiacutea nuclear
h Combustibles
Frecuentemente se disentildean las calderas de acuerdo al combustible a
emplear por ejemplo carboacuten bituminoso antracita carboacuten pulverizado
gas petroacuteleo lentildea y bagazos u otros productos de desperdicios
i Fluidos
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presioacuten dedicado a producir vapor de agua Sin embargo una gran
mayoriacutea de calderas residenciales y muchas de tipos maacutes grandes tiene
como finalidad el calentamiento de agua Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos quiacutemicos
especiales
j Circulacioacuten
La mayoriacutea de las calderas trabajan con circulacioacuten natural En algunas
se utiliza la circulacioacuten forzada o (circulacioacuten positiva) en cuyo sistema
el fluido de circulacioacuten es forzado ldquototalmenterdquo a traveacutes de la caldera o
se aplica una recirculacioacuten controlada
k Posicioacuten del fogoacuten
La localizacioacuten del fogoacuten con relacioacuten a la caldera se indica ya en la
descripcioacuten del hogar puede ser interna o externa seguacuten las
consideraciones siguientes
El hogar es interno si la caacutemara en la que se desarrolla la combustioacuten
esta total mente rodeada por superficies enfriadas por agua tal como
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
sucede en las calderas de tipo escoceacutes o en las calderas portaacutetiles con
fogoacuten en forma de caja
El fogoacuten es de combustioacuten externa si este es auxiliar a la caldera o si
esta construido debajo de la misma
l Tipos de hogar
Las calderas pueden ser descritas seguacuten el tipo de fogoacuten por ejemplo
escocesas de horno holandeacutes abiertas gemelas etc
m Formas generales
Muchas calderas se han popularizado en el comercio por las siguientes
especificaciones
Calderas de tubos de humo tubulares horizontales de retorno de
fogoacuten de caja corta compactas de locomotoras de tubos verticales
de tipo portaacutetil del tipo escoceacutes (calderas marinas o de tierra) hace
como unidades residenciales
Calderas de tubos de agua (acuatubulares) en sus dos formas es
decir de tubos rectos o de tubos curvados La caldera horizontal de
tubos rectos suele tener un cabezal de tipo de caja hecho de placas
de acero o un cabezal en secciones en el cual cada seccioacuten conecta
los tubos de una hilera vertical sencilla La caldera de tubos curvados
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
va dotada de uno o cuatro domos Si el domo se dispone paralelo a
los tubos la caldera es de domo longitudinal si esta dispuesta en
forma transversal la caldera es de domo transversal o cruzado Si el
fogoacuten esta encerrada entre superficies enfriadas por agua se le llama
fogoacuten de paredes de agua (o enfriado por agua)
n Marcas registradas de los fabricantes
Muchos fabricantes imprimen a cada tipo de caldera su propio nombre
En algunos casos estos nombres aunque son de propiedad registrada
pasan al dominio general para indicar el tipo de alguna caldera Ejemplo
histoacutericos de ldquo Wagonrdquo y ldquoCarabanrdquo(a principios de ciclo XVIII)
ldquoCornishrdquo y ldquo Lancashirerdquo (britaacutenicas) ldquoHeinerdquo ldquoSterlingrdquo y
ldquoEconomicrdquo (americanas) y ldquoElephantrdquo (francesa) Con frecuencia el
nombre del inventor o el fabricante se convierte en el indicativo de cierto
tipo de caldera
o Formas y caracteriacutestica especiales
La caldera de magaziacuten tiene un deposito de almacenamiento que
alimentas el carboacuten a las parrillas del fogoacuten por gravedad La caldera de
tubo antracitico ( anthratube Boiler) Es esa unidad adaptada
especialmente para quemar antracita Caldera tubular de cobre con
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
serpentines de tubo de cobre de forma sinuosa o a manera de horquilla
se fabrican para quemar aceites combustibles o gas Existen muchas
otras variedades tales como la caldera de tubos conceacutentricos calderas
con quemadores en la tapa superior u otras similares Una caldera
instantaacutenea tiene una capacidad de agua relativamente continua y una
dosificacioacuten de fuego alta
Fuego diferencial y fuego tangencial son teacuterminos descriptivos
relacionados con la posicioacuten y operacioacuten de los quemadores Fogones
gemelos derivacioacuten del gas (puente) a temperatura y recirculacioacuten del
gas son teacuterminos relacionas con los meacutetodos de construccioacuten que
permiten controlar la temperatura y la presioacuten de la caldera bajo
diferentes condiciones de carga La doble circulacioacuten se utiliza para
evitar que el vapor de agua arrastre vapores silicosos Las unidades a
sobrepresioacuten y sobrecargadas tienes una caacutemara de combustioacuten que
opera sobre una presioacuten positiva
Tipos de calderas con tubos de humos de aceros
Las calderas de tubo de humo de acero
1- De fogoacuten externo
a) Horizontales tubulares de retorno
b) De fogoacuten de caja corta
c) Calderas de tipo compacto
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
2- De fogoacuten interno
a) Horizontales tubulares
1 Locomoacuteviles o de locomotora
2 De fogoacuten corto
3 Caldera de tipo compacto
4 Caldera de tipo escoceacutes
De cabezal posterior seco (cabezal posterior con revestimiento
refractario
De cabezal posterior de agua (tipo escoceacutes marino)
De cubierta (o cielo) de agua
5 Caldera escocesas tipo paquete
De cabezal posterior seco de cabezal posterior de agua y de
tapa de agua
De dos tres y cuatro retornos (pasos)
b) Calderas verticales tubulares
1 Calderas de fuerza portaacutetil de cabezal plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo coacutenica
c) Calderas de tipo residencial
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Las calderas acuatubulares de acero se clasifican de la
manera siguiente
Caldera horizontal de tubos rectos
a) De cabezal de caja o cabezal excepcional
b) Domo longitudinal o transversal (cruzado)
c) Portaacutetil con hogar de caja
De tubos curvados
a) De cuatro domos
b) De tres domos
c) De cabezal bajo y tres domos
d) De dos domos de tubos verticales
e) De dos domos de tubos oblicuos
f) De tres domos en forma de ldquoArdquo
g) De tubos cortos y tubos largos de dos domos
h) De dos domos en forma de ldquoOrdquo
Calderas de cascos de acero
Con aplicaciones de casco externo
Con aplicaciones de fogoacuten interno
Calderas de hierro colado
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
1 Caldera redonda de hierro colado
2 Caldera cuadrada de hierro vertical
3 Caldera insercioacuten
4 Caldera de cabezal externo
Calderas de circulacioacuten forzada
Estas calderas se clasifican en tres grupos generales
1 Caldera continua (o de corriente continua) en el cual todo el agua o
sustancialmente toda es convertida en vapor
2 Caldera de circulacioacuten controlada en la cual una parte del agua es
recirculada
3 Evaporados por vapor suacuteper calentado en los que se utiliza una bomba
de vapor
Componentes de una caldera
Las calderas estaacuten constituidas por las siguientes partes
A Tambor o hervidor de la caldera
B Hogar
C Pantallas de aguas enfriadas por aire o agua
D Pre-calentadores de aire
E Economizadores
F Sobrecalentadotes y recalentadores
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
G Equipos auxiliares
En una caldera tipo de dos domos caracterizada por tener un banco
de tubos de agua en un arreglo vertical conectados con los domos
superior e inferior colocados transversalmente
El sobrecalentador forma una parte integral de la caldera y consiste
en dos bancos de tubos el sobrecalentador primario y el sobrecalentador
secundarios el cual estaacute separado de la zona de radiacioacuten por un tubo de
agua que atraviesa la salidas del hogar en esta parte de la caldera el
vapor saturado que sale del domo superior se calienta con los gases de
escape de
tal manera que el vapor alcanza una temperatura mayor que la de
saturacioacuten
El atemperador tipo spray cuando se requiere se coloca entre los
sobrecalentadotes primarios y secundarios con el fin de controlar la
temperatura del vapor
El hogar donde se produce la combustioacuten de combustible es de tipo
de pantalla de aguas enfriadas por agua y debe tener suficiente
capacidad para asegurar una combustioacuten completa y una superpie de
calentamiento adecuada para dar al gas una temperatura conveniente a
la entrada de la zona convectiba El deflector de bajo del
sobrecalentador secundario produce un regreso de la llama que asegura
la combustioacuten completa una mezcla uniforme de los gases a la entrada
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
del sobrecalentador El soporte base de la caldera es disentildeado de tal
manera que permita expandirse hacia arriba sin esfuerzos teacutermicos En
el domo superior existen unos separadores de vapor con el fin de
purificar el vapor y recircular el agua separada del vapor a la caldera
asegurando una circulacioacuten adecuada
El tipo de quemadores depende del tipo de combustible a quemar ya
sea soacutelido liacutequido o gaseoso Los quemadores de combustibles liacutequidos
y gaseosos pueden ser de operaciones simples o combinadas que
quemara ambos combustibles separadamente o simuladamente En vista
de los gases de escape en su camino hacia la chimenea poseen bastante
energiacutea teacutermica se colocan lo economizadores a traveacutes de las cuales
fluye el agua
de alimentacioacuten de la caldera de tal manera que sufre un
calentamiento disminuyendo el consumo de combustible en la caldera
Los precalentadores de aire se utilizan con el objeto de recuperar parte
del calor que poseen los gases de escape con el fin de precalentar el aire
a utilizar en los quemadores
Los equipos auxiliares de una caldera son
A Ventiladores de tiro inducidos con el fin de extraer los gases
productos de la combustioacuten y expulsarlos en la chimenea
B Bombas de inyeccioacuten de combustibles
C Ventiladores de tiro forzado o inducido para suministro de aire a
emplearse en la combustioacuten
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
D Sopladores de holliacuten para realizar la limpieza externa de los
tubos y purgas para limpieza interna
E Equipo de control de llama nivel de agua en la caldera y flujo
de agua de alimentacioacuten a la caldera
Circulacioacuten de las calderas acuatubulares
La circulacioacuten de agua de una caldera es un factor importante para
lograr un funcionamiento eficiente de la misma La circulacioacuten del
agua puede ser
A Circulacioacuten natural
B Circulacioacuten forzada
Circulacioacuten natural
Se debe a la diferencia de densidades de las columnas de
fluido que sube y baja Esta diferencia obedece a la existencia de
burbujas de vapor en la columna ascendente y mayor temperatura
del liacutequido en la columna ascendente con respecto a la
descendente Si la aplicacioacuten de calor a la columna ascendente es
intensiva para producir la circulacioacuten raacutepida existe el peligro de
que los tubos se quemen y se formen vapor a tal velocidad que
pasen a la columna descendente produciendo el bloqueo de la
caldera La circulacioacuten maacutes satisfactoria se obtiene cuando las
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
burbujas de vapor son pequentildeas y bien difundidas en la columna
ascendente
El agua de alimentacioacuten de la caldera entra al domo superior y
fluye hacia abajo por unos tubos no sometidos a calor
denominados bajantes o tubos descendentes En la parte inferior
hay una zona donde los tubos y por ende el agua recibe el calor del
hogar elevaacutendose la temperatura del agua De la parte inferior en
adelante el agua fluye por unos tubos denominados tubos
ascendentes El agua al fluir por los tubos ascendente recibe calor
producieacutendose en estos tubos el cambio del estado del agua del
estado liacutequido pasando por una mezcla de agua y burbujas de
vapor hasta que finalmente
sostiene mayor mente vapor El vapor asiacute obtenido llega al domo
superior Si el agua en la base del tubo ascendente posee la
temperatura de vapor correspondiente a la presioacuten en ese punto
auacuten sin aplicacioacuten de calor se convertiraacute un poco en vapor al
ascender debido a la disminucioacuten de carga estaacutetica Mediante la
aplicacioacuten de calor se forman burbujas de vapor pegadas a la pared
del tubo las cuales suben y se expanden debido a la disminucioacuten
de la carga estaacutetica cediendo parte de su energiacutea vaporizando otras
partiacuteculas cuando la formacioacuten de vapor es muy raacutepida la descarga
del tubo ascendente es tan fuerte que produce borbotones que
alteran el nivel y causan el arrastre de humedad al espacio de
vapor Este fenoacutemeno se llama ceba
Circulacioacuten forzada
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
A medida que las presiones y las cantidades de calor
aumentan la circulacioacuten natural disminuye de tal manera que en el
punto criacutetico (208 kmcm2) es imposible la circulacioacuten natural
debido a que no hay diferencias entre el agua y el vapor por lo que
se hizo necesario utilizar la circulacioacuten forzada la cual reemplaza
la fuerzas producto del fenoacutemeno de termosifoacuten por una bomba de
circulacioacuten capaz de producir una fuerza que obliga al agua a
circular a traveacutes de todos los circuitos generadores de vapor
Calderas de circulacioacuten forzada
Cuando la presioacuten de operacioacuten de la caldera es mayor a 160
kgcm2 la circulacioacuten natural es imposible por lo cual se requiere la
circulacioacuten forzada la cual se logra utilizando una bomba de
circulacioacuten para impulsar el agua o el vapor a traveacutes de los circuitos
internos de la unidad
Accesorios para calderas
El teacutermino accesorios para calderas se refieren al conjunto de
aparatos que se necesitan en una caldera para su mejor
funcionamiento control y mantenimiento dentro de estos se tiene
Vaacutelvula de seguridad
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La vaacutelvula de seguridad se utiliza para proteger una caldera
cuando la presioacuten alcanza un valor mayor a la presioacuten de operacioacuten
fijada disparaacutendose la vaacutelvula y descargando el vapor hasta que la
presioacuten baje a su valor fijado Las vaacutelvulas de seguridad son
instaladas de acuerdo a las recomendaciones del fabricante y su
descarga seraacute a traveacutes de una seccioacuten recta de cantildeo soportado
separadamente y de tamantildeo suficiente para prevenir un retroceso de
vapor a traveacutes de la bandeja colectora El cantildeo de descarga seraacute de
longitud suficiente para soplar el vapor a una altura normalmente
inaccesible a los operadores
Vaacutelvula de purga
Se colocan en la parte maacutes baja de la caldera y algunas veces
tambieacuten en los cuerpos ciliacutendricos se utilizan para sacar una cierta
cantidad de agua a fin de extraer de la caldera los lodos sedimentos
y espumas Las impurezas del agua de alimentacioacuten que se precipitan
constantemente se combinan mecaacutenicamente y quiacutemicamente
durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de
incrustacioacuten de la superficie de caldeo
Cuando la presioacuten de operacioacuten es superior a 975 kgcm2 se
requiere una distribucioacuten de la vaacutelvula de purga y secuencia de
operacioacuten siguiente
Grifo de purga y la vaacutelvula de hierro fundido
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Se instala la vaacutelvula en la posicioacuten externa con la presioacuten sobre
el asiento se abre primero la vaacutelvula y se cierra de ultimo A
presiones menores a 975 kgcm2 se utiliza una vaacutelvula de purga o
grifo
Cuando la presioacuten de operacioacuten alcanza valores del orden de
90 kgcm2 se utilizan las vaacutelvulas de purga en tandem en la cuales
se distribuye la presioacuten debajo del asiento de la vaacutelvula interior y
sobre el asiento de la vaacutelvula exterior Se abre primero la vaacutelvula
interior y se cierra de uacuteltimo
Vaacutelvula de retencioacuten y cierre de alimentacioacuten
Cada caldera debe tener una vaacutelvula de retencioacuten y una de
cierre colocada esta uacuteltima en la liacutenea de suministro del agua de
alimentacioacuten lo maacutes cercana posible al domo para una disposicioacuten
aconsejable de la liacutenea de alimentacioacuten Si la caldera tiene un
economizador las vaacutelvulas deberaacuten instalarse lo maacutes cercana posible
del colector de entrada
Tanque de purga
Se debe instalar con el fin de recibir en forma segura la
descarga de las vaacutelvulas de purga y permitir que se produzca la
expansioacuten hasta la presioacuten atmosfeacuterica antes de ir al sistema de
alimentacioacuten
Vaacutelvula de cierre y retencioacuten para el vapor
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Se deberaacute instalar la vaacutelvula principal de cierre de vapor y las
vaacutelvulas necesarias de acuerdo con el coacutedigo de especificaciones de
la caldera
Sistema de toma de muestra de agua
Debido a la necesidad de controlar las condiciones del agua de
la caldera se hace necesario instalar una conexioacuten ala liacutenea de purga
continua del domo de vapor para obtener muestras para el anaacutelisis
del agua
Niveles de agua
Los indicadores de niveles de agua se utilizan para apreciar la
altura a que se encuentra el agua en el interior de la caldera se
montan en la parte frontal del cuerpo ciliacutendrico de la caldera de
forma que pueden verse desde el suelo Estos aparatos constan
esencialmente de un tubo de vidrio dispuesto verticalmente cuyas
extremidades se comunican con la caacutemara de vapor y la caacutemara de
agua de la caldera de tal manera que el agua de la caldera y la que se
encuentra en el tubo de nivel se halle al mismo nivel
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Para altas presiones (mayor de 65 kg cm2) se usan niveles de
cristal chatos
En instalaciones modernas se utilizan periscopios y televisores
para ver el nivel de agua de la caldera
Los grifos de prueba se utilizan para limpieza de la tuberiacutea que
conectan a la caldera con el nivel causado por obstruccioacuten El grifo
de purga se abre perioacutedicamente para eliminar las sustancias extrantildeas
que se depositan en el fondo del tubo
Reguladores de nivel de agua
Los reguladores de nivel de agua se utilizan para mantener el
nivel de agua dentro de los liacutemites preestablecidos de acuerdo con las
variaciones de la caldera eliminaacutendose los peligros de la
disminucioacuten excesiva del nivel lo cual resulta en un recalentamiento
de la caldera y aumento del nivel del agua lo cual aumenta la
humedad del vapor produciendo problemas de erosioacuten en los alabes
de la turbina Al principio en las calderas de gran volumen de agua
el fogonero tomando como la liacutenea del centro del tambor como nivel
medio ajustaba el funcionamiento de las bombas para reestablecer el
nivel a su valor normal
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Sin embargo en las instalaciones modernas de tipo de tubo de
agua y volumen reducido no es aconsejable el control manual por lo
que se ase necesario la instalacioacuten de sistemas automaacuteticos de
alimentacioacuten Existen muchos tipos de reguladores de nivel dentro
de los cuales se tienen
o Regulador de nivel mediante flotador
o Regulador con generador de vapor
Manoacutemetro
Los manoacutemetros son aparatos destinados a medir la presioacuten de
operacioacuten de la caldera El tipo maacutes usado es el bourdon el cual
aprovecha la tendencia a enderezarse que experimenta un tubo de
cobre bronce oacute acero curvado de seccioacuten eliacuteptica cuando se le aplica
en el interior una presioacuten superior a lo atmosfeacuterico
Generalmente el tubo se curva en arco de circunferencia de tal
manera que al actuar la presioacuten en el interior del tubo su extremo
libre describe un pequentildeo movimiento el cual amplificado mediante
un sistema de palancas que actuacutean sobre un sector dentado que ase
girar la aguja indicadora
Con el fin de proteger el manoacutemetro de que el vapor se ponga
en contacto con su interior se utiliza un sifoacuten protector
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Otro tipo de manoacutemetro es el de disco corrugado o diafragma
el cual se basa en la elasticidad de una laacutemina ondulada que soporta
por un lado la presioacuten atmosfeacuterica y por el otro a la presioacuten de
caldera Cambia la deformacioacuten de placa y opera el mecanismo
indicador
Los manoacutemetros han de instalarse de forma tal que se hallen
aislados del calor radiante Ademaacutes la tuberiacutea de comunicacioacuten al
manoacutemetro debe estar provista de un sifoacuten protector provisto de un
depoacutesito de agua de modo que no es el vapor que actuacutea directamente
sobre el manoacutemetro si no el agua empujada por eacutel con esto se evita
falsas indicaciones del aparato por efecto de la temperatura
Tapones fusibles
Son elementos que se instalan en la caldera en aquel punto de
la superficie de calefaccioacuten maacutes bajo del cual no debe descender el
nivel de agua debido a los peligros que ocasiona Consisten de
manguitos de acero o bronce rellenados de una aleacioacuten de estantildeo
que funde aproximadamente a 232 degc y que se insertan en el cuerpo
ciliacutendrico de la caldera a la altura del nivel de agua miacutenimo
El punto de fusioacuten del estantildeo es superior a la temperatura del
vapor e inferior a la temperatura de los gases calientes
Generalmente un extremo del tapoacuten estaacute cubierto por el agua y el
otro estaacute sometido al calor de los gases calientes en el caso de que el
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
nivel del agua descienda hasta dejar al descubierto el tapoacuten la
aleacioacuten se funde y permite que se escape el vapor anunciando al
fogonero que el nivel de agua ha bajado hasta un punto peligroso
El tapoacuten fusible se utiliza en calderas pirotubulares cuya
presioacuten manomeacutetrica es de 16 kgcm2 debe removerse una vez por
antildeo y se recomienda no volver a rellenar el tapoacuten cuando haya
fundido
Cuando se elimina o se inspecciona una caldera deben
eliminarse las incrustaciones en el lado del agua u holliacuten ya que el
tapoacuten fusible puede fallar por fusioacuten de la aleacioacuten
Sopladores mecaacutenicos de holliacuten
Son aparatos que se utilizan para la remocioacuten de los depoacutesitos
de holliacuten que se depositan sobre la parte externa de los tubos de la
caldera Consisten baacutesicamente de un tubo con un cierto nuacutemero de
perforaciones o toberas que permiten dirigir chorros de vapor o de
aire a gran velocidad sobre las superficies que deben limpiarse La
frecuencia de limpieza depende del tipo de operacioacuten y naturaleza
del combustible
Aparatos para eliminar incrustaciones
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Las incrustaciones provienen del agua se eliminan por medio del
lavado cuando estaacuten suaves o por medios mecaacutenicos los cuales pueden
ser de vibracioacuten y de corte normalmente son accionados por aire y
algunas veces por vapor hidraacuteulicamente o electroacutenicamente
GENERALIDADES Y ANALISIS TERMICO DE UNA CALDERA
31Superficie de Calentamiento
La superficie de calentamiento de una caldera son todas aquellas
partes de la misma que se encuentran de un lado en contacto con el agua
y por el otro reciben calor Se mide del lado que percibe el calor y se
expresa en m2
La superficie de calentamiento total se divide en
A- Superficie de calentamiento directa
La superficie de calentamiento directa o superficie de radiacioacuten
corresponde a aquella zona en la cual la caldera recibe el calor por
radiacioacuten es decir la maacutes cercana a las llamas (tubos de circulacioacuten
pantallas de agua y piso enfriado por agua
B- Superficie de calentamiento indirecta
La superficie de calentamiento indirecta o superficie conectiva
corresponde a aquella zona de la caldera expuesta por un lado al agua y
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
por el otro recibe el calor por conveccioacuten de los gases de la combustioacuten
(sobrecalentador economizador
32 Capacidad de una Caldera
La capacidad de una caldera normalmente se expresa como la
cantidad en Kg de vapor que produce una caldera por hora fijando la
presioacuten de dicho vapor y su temperatura si es sobrecalentado y la
temperatura del agua de alimentacioacuten La capacidad de una caldera se
expresa maacutes concretamente en forma del calor total transmitido por las
superficies de calentamiento en Kcalhr En vista de que eacuteste valor
numeacutericamente es grande la ASME recomienda usar como unidades
la Kilo BTUhr o la MegaBTUhr
254 Kcalhr = 1 Kilo BTUhr
La potencia en HP de caldera estaba basada en una maacutequina de
vapor que empleaba 1362 Kg de vapor por HP ndash hora a una presioacuten
manomeacutetrica de 49 Kgcm2 y con el agua de alimentacioacuten de la caldera
a 385 C lo cual equivale a la vaporizacioacuten de 1566 Kghr de agua a
100 C lo cual significa la conversioacuten de 1566 Kghr de agua a 100 C
en vapor seco a 100 C a la presioacuten atmosfeacuterica normal 1033 Kgcm2
Debido a lo anterior cada Kg de vapor producido requiere el calor
latente de evaporacioacuten del agua a la presioacuten atmosfeacuterica normal (212
F) lo cual vale 5434 Kcal Entonces
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
1 HP de caldera = 5434 KcalKg 1566 Kghr = 8535 Kcalhr
Para determinar la potencia de una caldera que produce un
flujo de vapor (mv) en (Kgh) a presioacuten y temperatura conocidas asiacute
como la temperatura del agua de alimentacioacuten se utiliza la siguiente
expresioacuten
HP de caldera = mv (h2 ndash h1)
8525
Donde
mv = Flujo masivo de vapor producido (Kghr)
h1 = Entalpia del agua que entra a la caldera (KcalKg)
h2 = Entalpia del vapor que sale de la caldera (KcalKg)
Cuando el flujo masivo de vapor es la cantidad maacutexima que la
caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo
especificada da la potencia maacutexima Pero siacute mv representa el flujo
masivo de vapor de una caldera puede producir con maacutes eficiencia la
produccioacuten horaria corresponde a su potencia normal
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Un teacutermino usado especialmente para pequentildeas calderas es la
potencia nominal la cual refiere al hecho que cuando se definioacute el HP
de la caldera seguacuten la ASME la mayoriacutea de las calderas eran capaces
de vaporizar 1566 Kghr por cada 093 m2 asiacute
1 HP de caldera equivaldriacutea a 093 m2
Por lo que la potencia nominal se define
HPn = Superficie de calentamiento total (m2)
(Superficie equivalente al HP de caldera) (093 m2)
Seguacuten la antes mencionada ecuacioacuten todas las calderas que
tengan una misma superficie de calentamiento tienen la misma potencia
nominal sin embargo una caldera puede tener su superficie de
calentamiento dispuesta en forma maacutes ventajosa que otra y por lo tanto
maacutes capacidad en condiciones similares de trabajo La potencia nominal
no limita la capacidad de las calderas modernas ya que la mayoriacutea de
las calderas de las centrales teacutermicas pueden desarrollar del 400 al 600
de su potencia nominal y algunas trabajan normalmente durante largos
periacuteodos al 300
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
33 Factor de Vaporizacioacuten
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido por
1 Kg de agua de alimentacioacuten con las condiciones reinantes en la caldera
y el calor absorbido por 1 Kg de agua al vaporizarla a 100 C es decir
f = h2 ndash h1 = h2 ndash h1
Hfg 5434
Donde
hfg100C = 5434 KcalKg
34 Vaporizacioacuten Equivalente
Se define como los Kg de agua por hora que se vaporizariacutean a
100C absorbiendo la misma cantidad de energiacutea con las condiciones
existentes en la caldera
VE = f mv = mv (h2-h1) Kghr
5434
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DE UN GENERADOR DE VAPOR
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La cantidad de calor (kcal) producido en la combustioacuten de 1
Kg de combustible no toda llega al agua en su proceso de
evaporizacioacuten en la caldera sino que existen un conjunto de peacuterdidas
que disminuyen dicha cantidad las cuales son
A- Peacuterdidas por calentamiento sensible del aire que incluye el
nitroacutegeno y el exceso de oxiacutegeno (QA)
B- Peacuterdidas por combustioacuten incompleta del combustible que se
manifiestan por la presencia de
- Combustible sin quemar formacioacuten de monoacutexido de carbono y
reacciones de disociacioacuten (QI)
C- Peacuterdidas por los gases producto de la combustioacuten (humos) que
dejan el hogar de la caldera a una temperatura mayor que la
atmosfeacuterica (Qg)
D- Peacuterdida debido a la humedad del combustible que deja la
chimenea a una temperatura mayor que ambiente (Qh)
3- ANAacuteLISIS DEL FENOacuteMENO DE LA COMBUSTIOacuteN
31 Combustible soacutelidos
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La composicioacuten de los combustibles soacutelidos es muy variada
sin embargo desde el punto de vista quiacutemico se pueden considerar
formado por Carbono (C) Hidroacutegeno (H2) Azufre (S) Oxiacutegeno (O2)
Nitroacutegeno (N2) Humedad (W) y otros elementos de origen natural
Para el Carbono (C) se obtiene
C + O2 + CO2
12 32 44
1 Kg necesita 3212 Kg O2 = 2667 Kg O2
oacute 2667 Kg O2 = 2667 Kg O2 = 1867 m3 NO2
O2 1429 Kg O2m3 NO2
Donde o2 = 1429 Kg O2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
oacute 3667 Kg CO2 = 3667 Kg CO2 = 186 m3 NCO2
CO2 1977 Kg CO2 m3 NCO2
Donde CO2 = 1977 Kg CO2m3 NO2 seguacuten la Tabla N X
La cantidad de N2 proveniente del aire de la combustioacuten
763N2 X 2667 Kg O2 = 88 Kg N2
232 Kg O2
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
oacute 79 m 3 N N 2 X 1 867 Kg O2 = 702 m3N N2
21 m3N O2
La cantidad de aire teoacuterico (AO) necesario para la combustioacuten
completa del carbono
AO = OO + N2 (17)
Donde Oo representa el oxiacutegeno teoacuterico por lo que
Ao =2667 + 88 = 11467 Kg aire
Oacute Ao = 1867 + 702 = 8887 m3N Aire
La cantidad de gases teoacuterico de la combustioacuten (VGO en
volumen y MGO en masa)
VGO = Vco2 + VN2 (18)
VGo = 1867 + 702 = 8887 m3 N Gases
Oacute MGO = Mco2 + MN2
MGO = 3667 + 88 = 12467 Kg Gases
Realizando el mismo procedimiento anterior para el Azufre (S)
y el Hidroacutegeno (H2) se obtiene la Tabla 13 de anaacutelisis de combustioacuten
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Se debe aclarar que aparte del Hidroacutegeno (H2) contenido en el
combustible se combina con el Oxiacutegeno (O2) del combustible por lo
que se requiere de aire teoacuterico para el Hidroacutegeno (H2) es
AO = 3448 (H ndash O) (Kg de aire) 8
Combustible
Formula de Combustioacuten
Productos de Combustioacuten
Cantidad de Productos por Kg De Combustible (Kg) (m3N)
Oxiacutegeno Teoacuterico y Nitroacutegeno por Kg De CombustibleO2 N2 O2 N2
(Kg) (m3N)
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
C
12
S
32
H2
2
C + O2
12 32
S + O2
32 32
2H2 + O2
4 32
CO2
44
SO2
64
2H2O
36
3667
20
90
1867
07
119
2667
10
8
88
331
2648
1867
331
2648
702
263
211
TABLA 13
TABLA DE ANAacuteLISIS DE COMBUSTIOacuteN
AO = 267 (H - 0) (m3 N aire) (111)
8
La cantidad de aire teoacuterico (Ao) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible de la Tabla (13) es
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Ao = 1147 C + 3448 (H - 0) + 431 S (Kgr aire) (112)
8
oacute Ao = 889 C + 167 (H ndash 0) + 333 S (m3N) (113)
8
La cantidad de gases secos teoacuterico (VGoS en volumen y MGos
en masa) producido es
Mgos = 1247 C + 2648 (H ndash 0) + 531 S + N (Kgr) (114)
8
Vgos = 889 C + 211 (H - 0) + 333 S + 0796 N (m3 N) 8
(115)
La cantidad de vapor de agua (Vv en volumen y Mv en masa) es
Mv = 9 H + W (Kgr) (116)
Vv = 1149 H + 1224 W (m3N) (117)
La cantidad de gases teoacuterico (Vgo en volumen y Mgo en
masa) total es
Vgo = Vgos + VV
(118)
Mgo = Mgos + MV
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Sustituyendo las Ecs (111))9 y (116) en la Ec (119) se tiene
Mgo = 1247 C + 3548 H - 2648 0 + 531 S + N + K (120)
8
Y las Ecs (115) y (117) en la Ec (118)
Vgo = 889 C + 3229 H - 211 0 + 333 S + 0796 N + 1244 (m3N)
8
(121)
En la praacutectica es posible lograr una combustioacuten completa con
el aire teoacuterico necesario por lo que es necesario suministrar una
cantidad de aire (A) mayor si es el factor de exceso de aire la
cantidad de aire real (A) es
A = Ao
(121)
La cantidad de gases reales (VGr en volumen y MGr en masa)
es
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
VGr = Vgo + (A ndash Ao) (m3N)
(123)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
VGr = Vgo + ( - 1) Ao (m3N)
(124)
MGr = Mgo + (A - Ao) (Kg)
(225)
Sustituyendo la Ec (122) se tiene
MGr = Mgo + ( - 1) Ao (Kg)
(126)
El poder Caloriacutefico inferior (PCI) en (KcalKg) de un
combustible soacutelido se puede calcular aproximadamente por la foacutermula
PCI = 8080 C + 28570 (H ndash 0) + 2210 S ndash 600 W (127)
8
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
PERDIDAS DE ENERGIacuteA DEBIDO AL COMBUSTIBLE NO
QUEMADO
Se puede suponer que el combustible que queda sin quemar es
carbono ya que el hidroacutegeno y el azufre tienden a combinarse maacutes
raacutepidamente con el O2 que el Carbono Normalmente durante la
combustioacuten del carboacuten se forman residuos de material semidifundidos
llamados escorias las cuales poseen fragmentos de carboacuten (solamente
Carbono) y cenizas las cuales van al tanque de cenizas Se debe incluir
el carbono no quemado en la ceniza muy fina que sale con los
productos de combustioacuten por la chimenea
Esta peacuterdida se calcula de la siguiente manera
QC = (OCI)C (C - Cr) B (Kcalhr)
(144)
Donde (PCI)C = 8080 Kcal Kg de la Tabla (11)
C = Cantidad de carbono ( Kg C )
Kg comb
Cr = Cantidad de Carbono realmente quemado
(Kg C)
Kg Comb
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Cr = C - Mr + c
Mr = Masa de residuos secos ( Kg residuos)
Kg comb
C = Cenizas en el combustible (Kg C)
Kg comb
Sustituyendo el valor del (PCI)C y la Ec (145) en la Ec (144) se
tiene
QC = 8080 (Mr ndash c) B (Kcal hr) (146)
PEacuteRDIDAS POR CALENTAMIENTO SENSIBLE DE LOS
GASES SECOS PRODUTOS DE COMBUSTIOacuteN (Qg)
Qg = Mg B CPg (Tg - Ta)
(147)
Donde Mg = Masa de gases secos ( Kg humos) Kg comb
CPg = Calor especiacutefico promedio a presioacuten ( Kcal ) Kg deg K
Constante de la mezcla de gases
Realizando un anaacutelisis de gases escape (Orsat) en base seca
se determina l cantidad de CO2 CO O2 y por diferencia (100 ndash CO2 -
CO - O2) se calcula la cantidad de N2
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Esta peacuterdida Qg es el valor mas grande de todas la peacuterdidas
para un generador de vapor Sin embargo la reduccioacuten de la
temperatura de los gases de escape estaacute limitada por la formacioacuten de
compuestos sulfurosos ya que producen corrosioacuten en los
economizadores y precalentadores
- Combustibles gaseosos
El combustible gaseoso generalmente utilizado en Venezuela
en las calderas es el gas natural el cual es una mezcla de
Hidrocarburos gaseosos con una cierta cantidad de dioacutexido de
carbono (CO2) cuyas caracteriacutesticas se presenta en la siguiente tabla
COMBUSTIBLE FORMULA
EN MASA
(KgKg comb )
PESO MOLECULAR(
Kg ) K
mol
Metano CH4
C2H6
8077
57216
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Etano
Isobutano
Propano
Dioacutexido de Carbono
I C4H10
C3H8
CO2
167
1034
149
30
58
44
44
TABLA 14
La combustioacuten de estos Hidrocarburos se expresa por la siguiente reaccioacuten
Cm Hn + (m + n) 0 + 376 (m + n) N2 4 4
m CO2 + H2O + 376 (m + n) N2
(161) 4
El Peso Molecular del combustible es
n
PM = Σ Xi Pmi (162)
I
Pm = 088077 x16 +000572 x 30 + 0016 x 58 +01034 x 44 + 000149 x 44 =
= 2081 Kg ndash Comb Kmol Comb
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
De acuerdo a la Ec (161) se establece que la relacioacuten de
combustioacuten por Kilomol de combustible es
Metano
1 08077 CH4 + 165 O2 + 6072 N2 08077 CO2 + 1615 H2O
(163) + 6072
Etano
2 00572 C2H6 + 0100 O2 + 0752 N2 00575 CO2 + 0114 H2O
(164)
+ 0752 N2
Insolbutano
3 00167 Ic4H10 + 0150 O2 + 0564 N2 00167 CO2 + 033 H2O
(165)
+ 0564 N2
Propano
40 1034 C3H8 + 0724 O2 + 0724 O2 + 2722 N2 01034 CO2 +
020 H2O
+ 2722 N2
(166)
El oxiacutegeno teoacuterico necesario para la combustioacuten completa del
combustible es
Oo = 2689 (kmol O2 Kmol de Comb)
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Oo = 2689 x 32 (Kg O2Kg Comb) 2081
Oo = 4302 (Kg O2 Kg Comb)
De la Tabla (12) po2 = 06998 Kgm3N O2
Por lo que
Oo = 4302 Kg O2 x 1 m 3 N O 2 = 612 m 3 N 2 O2
Kg Comb 06998 Kg O2 Kg Com
La cantidad de Nitroacutegeno (N2) proveniente de la combustioacuten
es
N2 = 10110 Kmol N2 Kmol Comb
N2 = 10110 x 28 Kg N2 Kg Comb 2081
N2 = 14083 Kg N2 Kg Comb
De la Tabla (12) pN2 = 07957 Kg N2m3N N2
N2 = 14083 Kg ndash N2 1 m 3 N N 2
Kg Comb 07957 Kg N2
N2 = 1771 m 3 N N 2
Kg Comb
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
La cantidad de aire teoacuterico (A0) necesaria para la combustioacuten
de 1 Kg de combustible es
A0 = 00 + N2
A0 = 4302 + 14083 = 18385 Kg Aire
Kg Comb
Oacute A0 = 612 + 1771 = 2383 m3 N Aire
Kg Comb
EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR (Ng)
La eficiencia total de un Generador de vapor se defina como la
relacioacuten que existe entre el calor absorbido por el vapor y el agua que
pasa por la caldera en cada unidad de tiempo y el calor suministrado
por el combustible en el tiempo
NG = QV
QS
Donde
Qv = Calor absorbido por el agua y vapor ( Kcal hr)
Qs = Calor suministrado por el combustible (Kcal hr)
EFICIENCIA DEL ECONOMIZADOR
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Se define como la relacioacuten que existe entre el calor absorbido
por el agua de alimentacioacuten y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
NE = ma (hf2 - hf1)
B Hg
Donde ma = flujo de agua de alimentacioacuten ( Kg Hr)
Hf2 = Entalpiacutea del agua a la salida ( Kcal Kg)
Hf1 = Entalpiacutea del agua de alimentacioacuten (Kcal Kg)
Hg = Calor disponible en los gases secos + calor disponible en
el vapor de agua contenido en los gases ( Kcal Kg Comb)
EFICIENCIA DEL CALENTADOR DEL AIRE
Se define como la relacioacuten entre el calor absorbido por el aire
en su paso a traveacutes del calentador y el calor disponible por el flujo de
gases es decir
Nc = ma (Tf ndash Te) (Cpaire+ CpH20 Wr)
B Hg
Donde
Ma = flujo masico de aire a traveacutes del calentador ( Kghr)
Te = Temperatura de entrada del aire ( deg K)e
Tf = Temperatura de salida del aire ( degK)
Wr = humedad relativa del aire ( Kg H2 0 Kg Comb)
B = Consumo de combustible (Kghr)
Hg = Calor disponible por los gases (Kcal Kg Comb)
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
TRATAMIENTO DEL AGUA
41 IMPUREZAS DEL AGUA
El agua natural generalmente contiene las siguientes
impurezas
a Turbidez y sedimentos (0 a 60000 ppm) que son materiales
insolubles
b Colonias microbioloacutegicas tales como los hongos bacterias
algas etc
c Fluoruro los cuales rara vez exceden de 4 ppm
d Dureza constituida por las sales solubles de calcio y
magnesio
e Siacutelice de 1 a 100 ppm
f Sales de sodio y potasio que son extremadamente solubles
Solo dan molestias cuando se requiere agua destilada
g Sulfuro de hidroacutegeno proveniente del mar El cual no debe
permitirse mas de 1 ppm
h Magnesio con 02 ppm proveniente del mar el cual forma
depoacutesitos
i Metano que trae consigo el peligro de incendio y explosioacuten
j Oxigeno nitroacutegeno y C02
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
k Hierro ( bicarbonato de hierro) de 03 a 5 ppm
EFECTOS PRODUCIDOS POR LAS IMPUREZAS DEL AGUA
Las impurezas del agua pueden ser la causa de los siguientes
efectos perjudiciales para las calderas
a Incrustaciones sobre la superficie de la caldeo
b Corrosioacuten y fragilidad del acero de la caldera
c Mal funcionamiento formacioacuten de espumas y arrastres de
agua en cantidad por el vapor
d Costos elevados de limpieza reparaciones e inspecciones
e Perdidas caloriacuteficas debidas a frecuentes purgadas
f Costos adicionales en el equipo de condensadores a causa de
los gases que levan el vapor
g Mal rendimiento de los equipos que utilizan el vapor a causa
de que este sea sucio
La mayor parte de los efectos resentildeados pueden atribuirse a
una o varis de las siguientes causas
Incrustaciones corrosioacuten fragilidad espumacioacuten proyeccioacuten
de masas de agua y gases ocluidos
INCRUSTACIONES
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Es la capa blanda o dura depositada sobre las superficies
internas de una caldera compuesta de sustancias minerales suciedad o
ambas cosas Su efecto se traduce en hacer disminuir las transmisiones
de calor
a traveacutes de la superficie de caldeo reduciendo las consecuencias la
capacidad y rendimiento de las instalaciones y posiblemente
recalentamientos de los tubos y planchas de la caldera
CORROSION
Es un desgaste anormal de la caldera con una disminucioacuten de
su resistencia mecaacutenica Las causas principales que dan origen a la
corrosioacuten son
Accioacuten electroliacutetica acidez o alcalinidad del agua o presencia
del oxigeno
FRAGILIDAD CAUSTICA Y FATIGA DE CORROSION
Es el resultado de una corrosioacuten no uniforme que conduce a la
formacioacuten acelerada de grietas en los bordes de la planchas
remachadas de las calderas remaches y porcioacuten metaacutelica situada
alrededor de las aberturas en donde el material ha sido sometido a
grandes esfuerzos de traccioacuten durante los procesos de fabricacioacuten y
funcionamiento
FORMACIOacuteN DE ESPUMAS
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Ocurre cuando el agua de las calderas contiene aacutelcalis materia
orgaacutenica en suspensioacuten algunos aceites en presencia de sales
soacutedicas o agua contenido en cantidad sales soacutedicas solubles El
resultado es que el
espacio destinado al vapor es ocupado por una masa burbujas
de espuma
OXIGENO
Especialmente a elevadas temperaturas corroe y pica todas las partes metaacutelicas con las cuales esta en contacto
ANHIacuteDRIDO CARBONICO
Solo tiene tendencias a producir corrosioacuten o a entrar en
combinacioacuten con otros cuerpos para constituir compuestos
formadores de incrustaciones Los gases oxigeno nitroacutegeno y
deioxigeno de carbono y otros no condensables a las presiones y
temperaturas corrientes del condensador que puede contener el
vapor imponen una carga adicional a las bombas y eyectores que son
los dispositivos a evacuar el aire de los condensadores
ANAacuteLISIS DEL AGUA NATURAL
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
Se ha determinado que ninguacuten agua natural es enteramente
adecuada para el uso en la alimentacioacuten de las calderas por lo tanto
seraacute necesario alguacuten tratamiento para contrastar las impurezas
contenidas por esta
DUREZA
Las sales del calcio y magnesio existentes en las aguas
naturales pueden dividirse en dos grupos
a Los bicarbonatos que constituyen la Dureza Temporal
b Los sulfatos cloruros y nitratos que constituyen la dureza
permanente
La dureza total en teacuterminos de carbonato de calcio es
determinada por el meacutetodo del jaboacuten o por el meacutetodo de titulacioacuten
calorimeacutetrica La dureza para las distintas aguas suavizada
alimentacioacuten caldera y condensado deberaacute ser siempre cero ldquo0rdquo
SUAVIZADOR DE CAL Y SODA
El agua cruda proveniente de un rioacute lago pozo etc entra por
la parte superior de lo suavizador a traveacutes de un condensado de
ventosa a una tobera la cual divide el chorro de agua en una lluvia
fina La temperatura del agua es elevada por el efectos del vapor
suministrado al suavizador y de las purgas continuas de las caldera o
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
sea 114 degC a una presioacuten de 027 Kg cm2 (aproximadamente 108
degC la diferencia de
temperatura es debido a la columna de agua mas la
temperatura de la purga continua de las caldera sales etc que tiene
el agua)
El objeto del vapor ademaacutes de acelerar la reaccioacuten quiacutemica
es quitar del agua parte de los gases disueltos llamados no
condensables oxigeno anhiacutedrido carboacutenico y amoniaco son todos
indeseables Sobre todo los dos primeros que producen corrosioacuten en
el material de hierro
FILTRACIOacuteN DE AGUA SUAVIZADA
Cuando el agua ha completado su ciclo de suavizamiento
dentro del suavizador se sube por el invertido y pasa afuera a los
filtros a traveacutes del tubo de descarga del suavizador
Al salir del suavizador el agua esta a una temperatura de 236
degF (107 degC) aproximadamente y contiene como 8 PPM de dureza y
un Ph de 103 Casi todo de esta dureza esta en forma de carbonatos
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
de calcio y magnesio pero tambieacuten contiene una cantidad pequentildea de
dureza compuesta de silicatos y sulfatos con indicaciones de otros
minerales Tambieacuten se presentan en el agua como frac12 PPM de siacutelice
en forma coloidal
Al salir del suavizador el agua contiene materiales de
suspensioacuten compuesto de sedimentos y sub-productos formados en el
proceso de suavisamiento Ya que es deseable remover este material
suspendido
antes que entre el agua a los evaporadores es pasado a traveacutes de
filtros disentildeados especialmente para sacar este material
Estos filtros son esencialmente tanques cerrados conteniendo
un deflector para distribuir el agua y capas de materia filtrante que
filtran del agua las partiacuteculas suspendidas Tambieacuten estaacuten provistos
con un sistema de limpiar o lavar las capas del filtrante cuando se
ensucian o se traban en su servicio
