UNIDAD 1.- Sistemas de alimentacin de agua

Introduccin

El agua absorbe ms calor a una determinada temperatura que cualquier otra sustancia inorgnica. Se expande 1600 veces a medida que se evapora para formar vapor a presin atmosfrica. El vapor es capaz de almacenar gran cantidad de calor. Ests propiedades nicas en el agua la convierten en la materia prima ideal para procesos de generacin de energa.

Todo tipo de agua procedente de una fuente natural presenta cierta cantidad de materia disuelta o suspendida, as como gases disueltos. La proporcin de minerales disueltos en el agua puede variar desde 30 g/L para el agua de mar hasta 0.005 - 1500 mg/L en agua superficial. Se debe tomar un especial cuidado en el agua que se va a emplear para la generacin de vapor ya que las impurezas presentes en ella pueden provocar graves problemas en la caldera. Es muy raro que el agua disponible en una industria se obtenga de una captacin propia o de una distribucin municipal y que tenga la calidad suficiente para ser aplicada directamente en la generacin de vapor. El tratamiento de aguas para calderas es una compleja rama de la qumica del agua. Se debe decir que no existe ningn procedimiento simplista ni producto qumico apropiado para el tratamiento de todas las clases de aguas. Cada caso se debe considerar individualmente.

La eficiencia con que operan las calderas de vapor, y por consiguiente el costo de operacin de stas, as como la seguridad en su operacin y su durabilidad, depende en gran medida de la calidad del agua con que se alimentan. El tratamiento que se requiere dar al agua, tanto el externo como el interno, debe ser diseado y efectuado por personal capacitado para asegurar que los efectos nocivos de los compuestos acarreados por el agua sean reducidos al mnimo.Por lo anterior, es necesario que el personal operativo de los sistemas de generacin y distribucin de vapor conozca los fundamentos del comportamiento del agua al interior de los generadores de vapor y las ventajas que conlleva para sus sistemas un buen diseo y aplicacin de un programa de tratamiento del agua.

1.1 AGUA CRUDA MUNICIPAL Y DE POZO PROFUNDOEl agua cruda o en su estado natural, es decir, sin tratamiento, proviene de distintos lugares, tales como, los ros, arroyos (subterrneos y terrneos), lagos, ocanos, lagunas y acuferos. La calidad de la fuente depende del contexto geogrfico, hidrogrfico y econmico en que se encuentre, pero tambin de la calidad que presente el agua cruda depende la complejidad de los procesos productivos en que se pueda utilizar y/o emplear.

El agua proveniente de pozos profundos posee la cualidad de tener mucho hierro, lo cual se refleja en el agua siendo muy turbia y amarillenta.La calidad del agua subterrnea sta relacionada a varios factores, tales como la geologa, el clima y el uso del suelo. Muchos qumicos se encuentran en forma natural en las aguas subterrneas, debido a la disolucin de las rocas, o por la degradacin de plantas y suelo. El agua del pozo puede contaminarse.

Las aguas pueden considerarse segn la composicin de sales minerales presentes como se indica a continuacin:- Aguas Duras Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles, principales responsables de la formacin de depsitos e incrustaciones-Aguas Blandas Su composicin principal est dada por sales minerales de gran solubilidad -Aguas Neutras Componen su formacin una alta concentracin de sulfatos y cloruros que no aportan al agua tendencias cidas o alcalinas, o sea que no alteran sensiblemente el valor del pH.-Aguas Alcalinas La forman las que tienen importantes cantidades de carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua la reaccin alcalina elevando en consecuencia el valor del pH presente.

1.2 TRATAMIENTOS EXTERNOSLa composicin del agua que se alimenta a la caldera debe ser tal que las impurezas presentes en la misma se puedan concentrar un nmero razonable de veces dentro del sistema sin que por ello se superen los lmites permitidos por el fabricante. Si el agua no cumple este requisito ser necesario tratarla para eliminar todas las impurezas antes de utilizarla. Actualmente se estn utilizando tratamientos qumicos dentro de la caldera para evitar estos problemas los cuales estn resultando una solucin efectiva a la par que econmica.

La pureza del agua de alimentacin depende tanto de la cantidad de impurezas como de la naturaleza de las mismas: la presencia de dureza, hierro y silice son ms importantes por ejemplo que la presencia de sales de sodio. La pureza requerida depende tanto de la cantidad de agua de alimentacin se vaya a utilizar como del diseo particular de la caldera (presin de trabajo, grado de transferencia de calor, etc. que puede soportar). Por lo que los requisitos del agua de alimentacin pueden variar mucho. Una caldera de baja presin con el agua por fuera de los tubos puede soportar valores de dureza ms elevados que una de alta presin, siempre que se utilice un tratamiento adecuado.

Los niveles de lcali, sales, slice y fosfatos pueden ser ms amplios aunque siempre dependiendo de la presin de trabajo. En la actualidad, los valores mximos los establece el fabricante de acuerdo con las caractersticas de la caldera.

Las tablas que hay a continuacin son un extracto de los valores recomendados por APAVE (Asociacin de propietarios de unidades elctricas y de vapor) para calderas de hasta 100 bar y grado medio de generacin de vapor y para volumenes de agua dentro de la cmara de tal forma que sea posible controlar las posibles cadas de nivel de la misma, y por ABMA (Asociacin de Fabricantes de Calderas Americanos) para los estndares de calidad de pureza del vapor.Presin de trabajo (Bar)

0 - 20.720.8 - 31.031.1 - 41.441.5 - 51.751.8 - 62.162.2 - 68.969.0 - 103.4103.5 - 137.9

Agua de alimentacin

Oxgenodisuelto (measured before oxygen scavenger addition)0.040.040.0070.0070.0070.0070.0070.007

HierroTotalmg/l0.10.050.030.0250.020.020.010.01

CobreTotal0.050.0250.020.020.0150.0150.010.01

DurezaTotal (CaCO3)0.30.30.20.20.10.05no se detecta

COT no voltil110.50.50.50.20.20.2

Grasas110.50.50.50.20.20.2

pHa 257.5 - 10.07.5 - 10.07.5 - 10.07.5 - 10.07.5 - 10.08.5 - 9.59.0 - 9.69.0 - 9.6

Agua de la caldera

Silicemg/l15090403020821

AlcalinidadTotal CaCO3350300250200150100no especificado

Alcalinidad libre de hidrxido CaCO3no especificadono se detecta

Conductividad especfica a 25 grados sin neutralizacinmS/cm350030002500200015001000150100

Presin de Trabajo (Bar)

0 - 1515 - 2525 - 3535 - 4540 - 6060 - 7575 - 100

Agua de alimentacin

Oxgenodisuelto (measured before oxygen scavenger addition)mg/l0.02 (Eliminacin fsica del oxgeno disuelto)

DurezaTotalGrados Franceses0.50.30.20.10.050.050.05

Grasasmg/lausencia0.050.050.05

pHa 25> 8.5

HierroTotalmg/lno especificado0.050.050.03

CobreTotalno especificado0.030.030.01

Agua de la caldera

MAlcalinidadGrados Franceses10080604015105

PAlcalinidad0.07 M0.07 M0.07 M0.07 M> 0.5 M> 0.5 M> 0.5 M

SiO2mg/l200150904015105

TDS4000300020001500500300100

Fosfatos30 to 10031 to 10020 to 8021 to 8010 to 6010 to 405 to 20

pH10.5 to 1210 to 11

Agua de preparacinAgua blanda o blanda y libre de carbonatosDesmineralizada

El tratamiento adecuado de agua de alimentacin de caldera es una parte importante del funcionamiento y mantenimiento de un sistema de caldera.Como se produce vapor de agua, los slidos disueltos se convierten en depsitos concentrados y forme dentro de la caldera.Esto conduce a la deficiente transferencia de calor y reduce la eficiencia de la caldera.Gases disueltos tales comooxgenoydixido de carbonoreaccionan con los metales en el sistema de la caldera y conduce a la corrosin de la caldera.Con el fin de proteger la caldera de estos contaminantes, deben ser controladas o eliminadas.

En la siguiente tabla se puede encontrar una lista de los contaminantes del agua de alimentacin de calderas comunes, su efecto y su posible tratamiento.IMPURITYRESULTANDO ENSe deshizo de PORCOMENTARIOS

Los gases solubles

Sulfuro de hidrgeno (H2S)El agua huele a huevos podridos: sabe mal, y es corrosiva para la mayora de los metales.La aireacin, filtracin y cloracin.Se encuentra principalmente en las aguas subterrneas y arroyos contaminados.

Dixido de carbono(CO2)Corrosivo, forma cido carbnico en el condensado.Desaireacin, neutralizacin con lcalis.El rodaje, aminas neutralizantes se utilizan para prevenir la corrosin de lnea de condensado.

El oxgeno(O2)Corrosin y picaduras de tubos de la caldera.Purga de aire y producto qumico de tratamiento con (Sodio sulfito o hidracina)Picaduras de tubos de la caldera, y paletas de la turbina, el fracaso de las lneas de vapor, y los accesorios etc

Slidos Suspendidos

Los sedimentos yturbidezLodos y arrastre escala.Clarificacin y filtracin.La tolerancia de aprox.5 ppm mx.para la mayora de aplicaciones, 10 ppm para el agua potable.

Materia OrgnicaPrrroga, la formacin de espuma, los depsitos puede obstruir tuberas y causar corrosin.Aclaracin, filtracin y tratamiento qumicoEncontrado sobre todo en aguas de superficie, causados por la vegetacin en descomposicin y escorrentas agrcolas.Organics descomponen para formar cidos orgnicos.Los resultados en baja de la caldera del pH del agua de alimentacin, el cual ataca a los tubos de caldera.Incluye diatomeas, moldes, limos bacterianas, bacterias del hierro / manganeso.Las partculas en suspensin se acumulan en la superficie del agua en la caldera y hacen difcil la liberacin de burbujas de vapor que se levanta a esa superficie ..Espuma tambin se puede atribuir a las aguas que contienen carbonatos en solucin en la que se form un precipitado floculante de luz sobre la superficie del agua.Por lo general relacionada con un exceso de carbonato de sodio se utiliza en el tratamiento por alguna otra dificultad, donde el aceite vegetal o animal encuentra su camino dentro de la caldera.

Slidos coloidales disueltas

Aceite y grasaFormacin de espuma, los depsitos en la calderaLa coagulacin y filtracinEntra en la caldera de condensacin de agua

Dureza,Calcio (Ca), yMagnesio (Mg)Las incrustaciones de cal en la caldera, inhibe la transferencia de calor, y la eficiencia trmica.En los casos graves puede conducir al tubo de la caldera a travs de quemar, y el fracaso.De reblandecimiento, ms el tratamiento interno en la caldera.Los formularios estn bicarbonatos, sulfatos, cloruros y nitratos, en ese orden.Algunas sales de calcio solubles son reversiblemente.Magnesio reacciona con carbonatos para formar compuestos de baja solubilidad.

Sodio, alcalinidad, NaOH, NaHCO3, Na2CO3La formacin de espuma, los carbonatos se forman cido carbnico en vapor, hace que la lnea de retorno de condensado y trampas de vapor a la corrosin, pueden causar fragilidad.Purga de aire de agua de reposicin y de retorno de condensado.El intercambio inico; desionizacin, tratamiento cido del agua de reposicin.Las sales de sodio se encuentran en la mayora de las aguas.Ellos son muy solubles, y no se pueden eliminar por precipitacin qumica.

Los sulfatos (SO4)Escala duro si el calcio est presenteDesionizacinLos lmites de tolerancia son alrededor de 100-300ppm como CaCO3

Cloruros, (Cl)Cebado, es decir, la entrega irregular de vapor de la caldera (eructo), arrastre de vapor de agua en la reduccin de la eficiencia de vapor, puede depositar en forma de sales de recalentadores y labes de la turbina.La formacin de espuma si estn presentes en grandes cantidades.DesionizacinCebado, o el paso de vapor de una caldera en "eructos", es causada por el carbonato de concentracin de sodio, sulfato de sodio, o cloruro de sodio en solucin.Sulfato de sodio se encuentra en muchas aguas en los EE.UU., y en las aguas donde el calcio o el magnesio se precipita con carbonato de sodio.

Hierro (Fe)ymanganeso (Mn)

Los depsitos en la caldera, en grandes cantidades, pueden inhibir la transferencia de calor.La aireacin, filtracin, intercambio inico.La forma ms comn es el bicarbonato ferroso.

Slice (Si)Hard escala en las calderas y sistemas de refrigeracin: depsitos de pala de turbina.Desionizacin; proceso de refresco de limn, el tratamiento en caliente de cal-zeolita.La slice se combina con muchos elementos para producir silicatos.Los silicatos forman depsitos muy tenaces en tubos de caldera.Muy difcil de eliminar, a menudo slo por los cidos flourodic.La consideracin ms importante es el arrastre voltil para los componentes de las turbinas.

El tratamiento externo es la reduccin o eliminacin de impurezas del agua fuera de la caldera. En general, se utiliza el tratamiento externo cuando la cantidad de una o ms de las impurezas del agua de alimentacin es demasiado alta para ser tolerada por el sistema de la caldera en cuestin. Hay muchos tipos de tratamiento externo (desaireacin, filtracin, cloracin, clarificacin, ablandamiento por precipitacin, intercambio inico, smosis inversa, desgasificacin) que pueden ser utilizados para adaptar hacer de alimentacin de agua para un sistema particular.

FILTRACIN:Su objetivo es extraer partculas grandes en suspensin. Se realiza antes que el agua llegue a la caldera (externo).Los filtros pueden ser de mallas (pequeas instalaciones) o de grava y arena.Eliminacin de: Slidos Suspendidos Colores Olores Sabores Cloro Residual MicroorganismosTodo esto se traduce en los siguientes beneficios: evitar las incrustaciones: se evita la deposicin de los slidos sobre las superficies de los equipos donde la transferencia de calor es necesaria. evitar la corrosin: se controla la prdida de metal constituyente de la estructura de los equipos. evitar el desarrollo microbiolgico: se elimina la presencia de material orgnico inconveniente. evitar el deterioro de las resinas de intercambio inico: no se permite la llegada de slidos abrasivos ni materiales oxidantes, como el cloro, hasta los suavizadores.

PROCESO DE ABLANDAMIENTO TRADICIONAL. En el proceso de ablandamiento con resinas cationicas, el calcio y el magnesio son intercambiados por iones sodio. En el proceso de ablandamiento la salinidad o contenido de sales disueltas en el agua no disminuye, de hecho se incrementa ligeramente ya que un equivalente de calcio Ca+2 pesa 20 gramos y un equivalente de sodio Na+ pesa 23 gramos.

ABLANDAMIENTO CON MEMBRANAS. Para que el agua pueda ser procesada por membranas, previamente deber tener un adecuado tratamiento externo, para garantizar la ausencia de slidos y coloides en el agua a alimentar a la caldera.En el proceso de membranas, si stas son de osmosis inversa, las sales son removidas y el permeado o producto solo contiene trazas de sales disueltas. En el proceso de membranas se remueven del agua de alimentacin a la caldera componentes indeseables como: calcio, magnesio, fierro y otros metales, carbonatos y bicarbonatos, cloruros, sulfatos, etc., por lo que estos ya no precipitan en el calentamiento y evaporacin del agua en la caldera.En el ablandamiento por membranas la salinidad disminuye debido a que no es una reaccin de intercambio, sino un proceso de tamizado a nivel atmico y molecular que separa los iones en dos corrientes, una que es el producto sin iones disueltos y un rechazo que acarrea los iones que ya no contiene el agua producto y que originalmente contena el agua de alimentacin a la membrana.Al no tener sales el agua de alimentacin no se requiere de las frecuentes purgas y la consiguiente reposicin del agua desechada. Esto conduce a menor gasto se productos qumicos y a menores prdidas de calor por el agua caliente que se desecha en la purga.El agua desmineralizada es altamente corrosiva, por lo que es necesario neutralizar sta y agregar sustancias qumicas que suban el pH y tengan una accin protectora con el metal con el que estarn en contacto en la caldera.

DESAIREACIN:Tambin llamada desgasificacin. Consiste en extraer los gases disueltos (oxgeno, anhdrido carbnico). Se consigue calentando el agua de alimentacin, proporcionando una gran rea de contacto agua-aire (ducha agitacin). Finalidad: Reducir el contenido de oxgeno disuelto el agua de calderas. Reducir el contenido de carbonatos en el agua de alimentacin. Precalentar el agua de alimentacin de las calderas.

ESQUEMA DE TRATAMIENTO: El esquema de tratamiento para un sistema de caldera con agua desmineralizada consiste en lo siguiente: el agua de la fuente de suministro pasa a travs de un filtro de multimedia para remover partculas suspendidas y posteriormente por un filtro de micro filtracin de 5 micrones que remueve las partculas de finos del agua a alimentar a la membrana.El agua de rechazo en las membranas puede tener un uso secundario, como en riego, limpieza de maquinaria y equipo, se puede integrar al agua de servicios generales, reinyectarse en el pozo, o como ltima opcin desecharse al drenaje.El agua producto sin sales pasa por una membrana Liquicel que remueve los gases disueltos entre ellos el oxigeno y bixido de carbono, que son altamente corrosivos en las condiciones de operacin de las calderas.El agua producto de las membranas y que ya no contiene sales se alimenta a la caldera pero antes se agrega un reactivo especialmente formulado que reacciona qumicamente con el oxigeno residual del agua de proceso en la caldera, y lo convierten a una forma no corrosiva.Tambin se deber agregar una formulacin para incrementar el pH del agua de alimentacin y proteger el metal de la accin corrosiva del agua y componentes traza que pudiese haber en el agua que se procesa en el ciclo de calentamiento y evaporacin en la caldera.

1.3 TRATAMIENTOS INTERNOS

Tratamiento interno es el acondicionado de impurezas dentro del sistema de caldera. Las reacciones se producen ya sea en las lneas de alimentacin o en la caldera adecuada. Tratamiento interno puede ser usado solo o en conjuncin con el tratamiento externo. Su propsito es hacer reaccionar adecuadamente con la dureza del agua de alimentacin, condiciones de lodos, compactar oxgeno y prevenir la formacin de espuma agua de la caldera.El tratamiento externo nunca es 100 % efectivo, bsicamente por limitaciones de los equipos y por razones econmicas. El grado de calidad del agua es cada vez ms exigente a mayores presiones de trabajo.

INHIBIDORES DE CORROSIN Los inhibidores de corrosin, son productos que actan ya sea formando pelculas sobre la superficie metlica, tales como los molibdatos, fosfatos o etanolaminas, o bien entregando sus electrones al medio.Sulfito de Sodio (Na SO 3): Reacciona con el oxgeno produciendo sulfatos de sodio. Se utiliza para calderas de presiones menores a 30 Kg/cm2. Hidracina (N 2 H 4?): Reacciona con el oxgeno produciendo nitrgeno y agua sin producir slidos disueltos. Apta para calderas de alta presin.Aminas: Utilizadas para el control de la corrosin en tuberas de retorno de condensado (corrosin por anhdrido carbnico). nhibidores de Fragilidad Custica: Nitratos y nitritos de sodio (Na NO 3?-Na NO 2?): Debe usarse donde el agua tiene caractersticas de fragilidad.

Inhibidores de Adherencias por Lodos: Agentes orgnicos: Taninos, almidones, derivados de aguas marinas. Evita la formacin de lodos adherentes y minimizan el arrastre.Tratamientos Trmicos: Mediante el calentamiento del agua hasta su temperatura de ebullicin, se precipitan todos los bicarbonatos en forma de carbonatos insolubles que decantan y se extraen del fondo del economizador, eliminando de esta manera la dureza temporal y los gases disueltos. Este procedimiento no separa la dureza permanente.

Tratamientos Elctricos: Por este sistema basado en la electrolisis del agua, el zinc en planchas que se apernan a tubos de chapas, defiende las planchas de hierro de la accin de las sales incrustantes.

Tratamiento Magntico los minerales en el agua llegan a afectarse cuando se exponen a un campo de fuerza magntico y pierden sus habilidades para formar sedimentos. remueve la existencia de sedimentos y elementos de corrosin.

Tratamiento Mixto: Consisten en emplear algunos desincrustantes qumicos y a su vez calentar el agua eliminando ambas durezas.

1.4 TRATAMIENTOS DE DESINCRUSTACIN A CALDERAS

Se entiende por incrustacin los depsitos duros adheridos a las superficies calientes, que no pueden ser eliminados simplemente por agua a presin y que se arrancarn en forma de placas. A su vez se consideran sedimentos los depsitos blandos que en general son eliminables con agua a presin o arrastables, por ejemplo al pasar la mano y que no se pueden recoger en forma de placas. Los sedimentos e incrustaciones son originadas fundamentalmente por precipitaciones de sales clcicas y magnsicas.

En un principio la desincrustacin era manual con piquetas, puesto que eran accesibles (calderas hervidores, hogar interior). Cuando aparecieron las calderas acuotubulares Babcok y Wilcok tipo WIF a primeros de siglo, se comenzaron a emplear las turbinas con fresas para la trituracin de la incrustacin y eliminacin con agua. Eran unos ejes movidos por motores elctricos que accionaban las fresas de diversas dimensiones, para abrirse paso a travs del poco espacio que dejaba libre la incrustacin dentro del tubo.Segn la composicin de la incrustacin se utilizaba HCl, ms o menos inhibido frente al acero. La influencia de la temperatura era importante para acelerar el proceso de desincrustacin, si en la incrustacin predominaba la de tipo carbonatada se producan las siguientes reacciones disolvindola:

(1) CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O(2) MgCO3 + 2HCl MgCl2 + CO2 + H2O

En las calderas de hervidores era habitual introducir troncos de olivos que desprendan sustancias que evitaban algo la incrustacin, de ah salieron los primeros tratamientos qumicos empleados que se basaban en los coloides que llevan taninos, lignosulfonatos y almidn cuyo poder de dispersin evitaba la precipitacin de la dureza y la transformaba en barros. Era el tratamiento base en las locomotoras de vapor.

Ahora esto se lleva a cabo por medio de productos industriales a base de cidos, orgnicos o inorgnicos, que van adicionados de un inhibidor especfico contra corrosin ya taque al metal. Existen inhibidores que detienen la accin directa sobre el hierro, aluminio, cobre u otros materiales, escogiendo el ms apropiado considerando el material de que est constituido el equipo a des-incrustar. Estos procesos son lentos e involucran un riesgo, ya que requieren el manejo de producto de fuerte accin qumica, los cuales son aplicados en forma de baos para ir disolviendo paulatinamente la incrustacin formada. El personal que se encargar de la maniobra deber estar dotado de equipo de proteccin personal adecuado, como guantes, botas de hule, anteojos, casco y peto o delantal ahulado.Las incrustaciones por lo general estn formadas por depsitos de Calcio y Magnesio (sustancias que origina esencialmente la dureza del agua), pero en ocasiones interviene la slice, lo que las hace ms vtreas y resistentes.

GENERALIDADES DEL PROCESO El cido romper lo adhesivos de las incrustaciones, actuando como un penetrante qumico, los depsitos se irn separando gradualmente a partir de sus capas exteriores hasta las internas.

El tratamiento realizado en caliente tendr una mayor efectividad, aunque no debern sobrepasarse temperaturas de 60C., ya que los inhibidores de corrosin por ser de naturaleza voltil, dejan de opera a temperaturas altas y por lo tanto su accin protectora se detiene. El proceso ser continuo y se prolongar por todo el tiempo necesario, hasta la completa limpieza del equipo, llevndose en ocasiones un tiempo de 48-56 horas dependiendo del espesor y la adherencia de la incrustacin. Hay que tener presente que el paro de un equipo de esta naturaleza resulta costoso por eso es de vital importancia el estudio previo, y as reanudar su servicio lo antes posible. La limpieza con cido de las calderas se usa a menudo para eliminar xidos metlicos. Los disolventes utilizados para la limpieza acida son variados. Algunos usan cido clorhdrico, otros, cido fosfrico. El proceso usual es llenar la caldera hasta que la solucin rebosa por el venteo (el cido se aade desde el exterior a la caldera). Se deja que la solucin empape la chapa de caldera durante cuatro a seis horas, seguidas de un relleno con un agente neutralizados

Si se usa cido clorhdrico para la limpieza, se utilizar una solucin dbil de cido fosfrico. Despus del drenaje, se usa agua limpia para lavar; despus, la caldera se llena inmediatamente con solucin alcalina y se hierve de nuevo varias horas. Esta solucin se drena; la caldera se lava de nuevo y, despus, se rellena con agua de servicio normal, poniendo en marcha inmediatamente el tratamiento adecuado de agua de alimentacin.

Debe observarse una precaucin en la limpieza con cido de calderas equipadas con sobrecalentador y otros tramos curvados parecidos, y estar seguros de que todo resto o traza de cido ha sido cuidadosamente limpiado y extrado de los tubos curvados en U. Esto es crtico en la etapa de neutralizacin y lavado despus de que los tubos se han empapado con una solucin acida.

UNIDAD II.- VAPOR DE AGUA

Cuando al agua se le suministra energa calorfica, sus y su estado fsico varan. A medida que tiene lugar el calentamiento, la temperatura aumenta hasta de lquido saturado (figura 2.6). A partir de aqu la temperatura permanece constante mientras el lquido se evapora. Cuando el lquido se ha evaporado cambiando a la fase gaseosa, se le llama vapor saturado y seco, se sigue suministrando calor, la temperatura deja de ser constante y vuelve a aumentar, pasando el vapor a lo que se denomina vapor sobrecalentado. Cuando la temperatura aumenta (o disminuye), se dice que el calor es sensible; cuando permanece constante se dice que es latente.

Para determinar el estado de una sustancia es necesario conocer sus propiedades en un momento determinado

Estas propiedades son: presin (P), temperatura (T) , volumen especfico (v), energa interna especfica (u) , entalpa (h) y entropa (s) . La temperatura, la presi6n y el volumen pueden determinarse por experimentacin; las otras propiedades se calculan en funcin de estas tres variables.

Para poder definir las propiedades de una sustancia es necesario conocer por lo menos dos de ellas. Como puede verse en la figura 2.6 durante el cambio de fase en la regin del vapor hmedo, la temperatura y la presi6n permanecen constantes por lo cual adems se requiere conocer el grado de humedad para determinar todas sus propiedades.

Diagrama T-S, curva isobrica

Vapor Hmedo vs. Vapor SecoEn industrias usuarias de vapor, existen dos trminos para el vapor los cuales son, vapor seco (tambin conocido como "vapor suturado") y vapor hmedo.Vapor secoaplica a vapor cuando todas sus molculas permanecen en estado gaseoso.Vapor hmedoaplica cuando una porcin de sus molculas de agua han cedido su energa (calor latente) y el condensado forma pequeas gotas de agua.Tome por ejemplo una pequea tetera con agua a su punto de ebullicin. El agua primeramente es calentada, y conforme el agua absorbe mas y mas calor, sus molculas se agitan mas y mas y empieza a hervir. Una vez que suficiente energa es absorbida, se evaporiza parte del agua, lo que puede representar un incremento de tanto como 1600X en volumen molecular.En algunas ocasiones se puede observar una pequea neblina saliendo de la boquilla de la tetera. Esta neblina es un ejemplo de que tan seco es el vapor, cuando se libera en una atmosfera mas fra, pierde un poco de su energa al transferirla al aire. Si se pierde suficiente energa las uniones intermoleculares se empiezan a formar nuevamente, y se pueden observar pequeas gotas de agua en el aire. Esta mezcla de agua en estado liquido (pequeas gotas) y estado gaseoso (vapor) recibe el nombre de vapor hmedo.

Para mayor informacin acerca de los varios tupos de vapor y su naturaleza, lea el siguiente articuloTipos de vapor.

Aplicaciones Principales para el Vapor de AguaEl vapor es usado en un gran rango de industrias. La aplicaciones mas comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en fabricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas elctricas, pero el uso del vapor en la industria se extiende ms all de las antes mencionadas.Algunas de las aplicaciones tpicas del vapor para las industrias son:Esterilizacin/CalentamientoImpulso/MovimientoMotrizAtomizacinLimpiezaHidratacinHumidificacinEn las secciones siguientes, discutiremos varios tipos de aplicaciones para el vapor, y proveeremos de algunos ejemplos de equipos usuarios de vapor.

Vapor para CalentamientoVapor de Presin PositivaEl vapor generalmente es producido y distribuido en una presin positiva. En la mayora de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100C (212F).Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presin positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas qumicas, y refineras solo por nombrar algunas. El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentadores de aire de combustin, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.Intercambiador de Calor de Tubos y CorazaEn un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual despus se convierte en condensado y es descargado a travs de una trampa de vapor.Horno de VaporVapor sobrecalentado entre 200 800C (392 - 1472F) a presin atmosfrica es particularmente fcil de manejar, y es usado en los hornos domsticos de vapor vistos hoy en dia en el mercado.Vapor al VacoEl uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100C (212F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua caliente, ha crecido rpidamente en los ltimos aos.Cuando vapor saturado al vaco es utilizado en la misma forma que el vapor saturado a presin positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada rpidamente con solo ajustar la presin, haciendo posible el controlar la temperatura de manera mas precisa que las aplicaciones que usan agua caliente. Sin embargo, en conjunto con el equipo se debe utilizar una bomba de vaco, debido a que el solo reducir la presin no lo har por debajo de la presin atmosfrica.

Calentamiento con Calor (Vapor) LatenteComparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rpidamente la temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en si.Vapor para Impulso/MovimientoEl vapor se usa regularmente para propulsin (as como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generacin de electricidad en plantas termoelctricas. En un esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso del vapor a presiones y temperaturas aun mayores. Existen algunas plantas termoelctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia), 610C (1130F), presin supercrtica en sus turbinas.Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para prevenir daos al equipo causados por la entrada de condensado. Sin embargo, en ciertos tipos de plantas nucleares, el uso de vapor a lata temperatura se debe de evitar, ya que podra ocasionar daos al material usado en las turbinas. Se utiliza en su lugar vapor saturado a alta presin. En donde se usa vapor saturado, generalmente se instalan separadores en la lnea de suministro de vapor para remover el condensado del flujo de vapor.Adems de la generacin de energa, otras aplicaciones tpicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ej. compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.

Generador de TurbinaLa fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote el rotor que se encuentra acoplado al generador de energa, y esta rotacin genera la electricidad.

Vapor como Fluido MotrizEl vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza motriz para mover flujos de lquido o gas en una tubera. Los eyectores de vapor son usados para crear el vaco en equipos de proceso tales como las torres de destilacin que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los eyectores tambin pueden ser utilizados para la remocin continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presin de vaco deseada en las turbinas de condensacin (vaco).

Eyector para Condensador de SuperficieVapor motriz de alta presin entra el eyector a travs de la tobera de entrada y es distribuido. Esto genera una zona de baja presin la cual arrastra aire del condensador de superficie.En un tipo similar de aplicacin, el vapor tambin es el fluido motriz primario para los drenadores de presin secundaria, los cuales son usados para bombear el condensado de tanques receptores ventilados, tanques de flasheo, o equipos de vapor que experimentan condiciones de Stall (inundacin).

Vapor para AtomizacinLa atomizacin de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecnicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustin y minimizar la produccin de hidrocarbonos (holln). Calderas y generadores de vapor que utilizan combustible de petrleo utilizaran este mtodo para romper el aceite viscoso en pequeas gotas para permitir una combustin mas eficiente. tambin los quemadores (elevados) comnmente utilizaran la atomizacin de vapor para reducir los contaminantes a la salida.

Quemador Asistido por Vapor

En quemadores, generalmente el vapor es mezclado en el gas de desperdicio antes de la combustin.

Vapor para LimpiezaEl vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la industria es el uso del vapor en los sopladores de holln. Las calderas que usan carbn o petrleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de holln para una limpieza cclica de las paredes del horno y remover los depsitos de la combustin de las superficies de convencin para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.

Limpieza de la Tubera de la Caldera con los Sopladores de hollnEl vapor liberado fuera de la tobera del soplador de holln desaloja la ceniza y suciedad seca, la cual caer en las tolvas o ser arrastrado y expulsado con los gases de combustin.Vapor para HidratacinAlgunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo. Por ejemplo, el vapor es utilizado para la hidratacin en la produccin del papel, as que ese papel que se mueve en los rollos a gran velocidad no sufra rupturas microscpicas. Otro ejemplo son los molinos de bolitas. Continuamente los molinos que producen las bolitas de alimento para animales utilizan inyeccin-directa de vapor tanto para calentar como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en la seccin de acondicionamiento del molino.

Molino Acondicionador de Bolitas

La hidratacin del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidn contenido en los ingredientes, resultando en bolitas mas firmes.

Vapor para HumidificacinMuchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en climas mas fros, utilizan vapor saturado a baja presin como la fuente de calor predominante para calentamiento interior estacional. Las bobinas HVAC, normalmente combinadas con humidificadores de vapor, son el equipo usado para el acondicionamiento del aire, para comfort interno, preservacin de registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire fro por las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deber ser ajustada a los niveles normales en adiciona una inyeccin controlada de vapor seco saturado en la lnea inferior del flujo de aire.Humidificador de Vapor en Ductos de Aire

El vapor usado para humidificar el aire dentro de un conducto de aire antes de ser distribuido hacia otras reas de un edificio.

2.1 EntalpaLa Entalpa es la cantidad de energa de unsistematermodinmico que ste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reaccinqumicaapresinconstante, elcambiode entalpa del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reaccin. En un cambio de fase, por ejemplo de lquido agas, el cambio de entalpa del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporizacin. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpa por cada grado de variacin corresponde a la capacidad calorfica del sistema a presin constante. El trmino de entalpa fue acuado por el fsico alemn Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemticamente, la entalpa H es igual a U + pV, donde U es la energa interna, p es la presin y V es elvolumen. H se mide en julios.

H = U + pV

Cuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpa ( H).

H = Hf Hi

La entalpa recibe diferentes denominaciones segn elproceso, as:Entalpa de reaccin, entalpa de formacin, entalpa decombustin, entalpa de disolucin, entalpa de enlace, etc; siendo las ms importantes:

Entalpia de reaccin:Es el calor absorbido o desprendido durante una reaccin qumica, a presin constante.

Entalpa de formacin:Es el calor necesario para formar una mol de una sustancia, a presin constante y a partir de los elementos que la constituyen.Ejemplo:H2 (g) + O2 (g) = > H2O + 68.3KcalCuando se forma una mol de agua (18 g) a partir dehidrgenoyoxgenose producen 68.3 Kcal, lo que se denomina entalpa de formacin del agua.

Entalpa de combustin:Es el calor liberado, a presin constante, cuando se quema una mol de sustancia.Ejemplo:CH4 (g) + 2O2 (g) => 2CO2 (g) + 2H2O (l) H = -212.8 KcalLo que significa que cuando se queman 16 g demetanose desprenden 212.8 Kcal.Estas entalpas se determinan normalmente a 25C y 1atm. Para determinar la entalpa estndar de formacin de las sustancias, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:1. La entalpa estndar de formacin de los elementos puros, libres y tal como se encuentran en suestadonatural es cero.Por ejemplo:H2 (g), O2 (g), N2 (g), Cl2 (g), Na (s), etc, tienen

Hf25 = 0, donde Hf25 es la entalpa estandar de formacin.

2. Elcarbonose presenta a 25C 1 atm de presin y enel estadoslido, de varias formas: diamante, grafito, antracita, hulla, coke, etc, pero su estado estandar se define para el grafito, o sea Hf25 del grafito es igual a cero.

3. El azufre se presenta en dos estados alotrpicos, el rmbico y el monocclico; su entalpa estandar se define para el rmbico o sea Hf25 del rmbico es igual a cero.

ENTALPA ESTNDARde una ecuacin general:

Se calcula restando las entalpas estndares de formacin de los reactivos de las entalpas estndares de formacin de losproductos, como se ilustra en la siguiente ecuacin:

La entalpa de un agua lquida saturada es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua desdeC hasta su temperatura de ebullicin a una presin determinada. La simbolizaremos como hf.La entalpa de vaporizacin es la cantidad de calor necesaria para convertir 1 kg de agua lquida saturada en vapor saturado y seco. Su valor disminuye con el aumento de temperatura y se hace cero en el estado crtico. La designaremos como hfg.La entalpa de un vapor saturado y seco es la suma de las dos anteriores. hg= hf+ hfg.La entalpa de un vapor de agua hmedo se define como la cantidad de calor necesaria para obtener 1 kg de vapor hmedo a partir de 1 kg de agua lquida saturada a 0,01 C. Su valor es menor que el anterior hg, pudindose escribir, en funcin del ttulo:

(10.2)Esta ecuacin es vlida para el clculo de cualquier otra propiedad termodinmica en funcin del ttulo, si bien, para el caso del volumen especfico de un vapor hmedo se puede simplificar, ya que la contribucin de la fase lquida en el volumen total puede despreciarse. As:Para el vapor de agua sobrecalentado, la entalpa puede calcularse de acuerdo a la expresin siguiente:, siendo cp,vla capacidad calorfica media del vapor entre las temperaturas consideradas, eel grado de sobrecalentamiento.Finalmente, las propiedades del agua lquida comprimida no difieren de las del agua lquida saturada a la misma temperatura para presiones no superiores a 28 bar, aproximadamente, por lo que pueden utilizarse los valores de sta ltima.Todas estas propiedades, como se ha indicado anteriormente, se encuentran recogidas en tablas, pero para el caso del agua, tambin lo estn en forma de diagrama. El diagrama de Mollier, figura 10.4., es un diagrama en las coordenadas entalpa-entropa, en el que se incluyen tambin las lneas de presin y temperatura constante, las de humedad constante, las del vapor y el lquido saturados, las de recalentamiento constante, y las de volumen especfico constante. Como con cualquier diagrama de propiedades, la localizacin de las mismas es inmediata, si bien el grado de exactitud en sus uso es inferior al conseguido a partir de los datos tabulados. De todos modos, es muy empleado en todos los problemas en los que interviene el agua en sus estados lquido y vapor.

2.2 TtuloLa calidad de un vapor se define como el porcentaje en peso del vapor saturado seco que hay en un vapor hmedo. La humedad de un vapor se define como el porcentaje en peso del de lquido saturado que hay en un vapor hmedo. La humedad es el complemento de la calidad.

La humedad y la calidad pueden expresarse como porciento o como decimal. La calidad se representa con la letra "x" y la humedad con la letra "y".

x + y = 1 x + y = 100%

Si hf representa el valor de la entalpa del lquido saturado, h representa el valor de la entalpa del vapor g saturado y hfg representa la entalpa de vaporizaci6n, la entalpa total de un vapor hmedo estar dada por:

h = y (hf) + X (h g) = (1 - X) hf + X (hg )

h = hf + X (hg- hf) = hf + X (hfg)

Las dems propiedades se determinan de la misma manera:

v = vf + X ( vfg )

u = uf + X ( u fg)

s= sf + X( sfg )

2.3 Vapor saturado seco, vapor saturado hmedo y vapor recalentado.

Vapor seco

Vapor seco llamado tambin Vapor saturado seco, es un vapor que ha sido evaporado completamente, es decir, no contiene gotas de agua lquida. En la prctica, el vapor a menudo arranca pequeas gotas de agua, con lo que ya no puede ser descrito como vapor saturado seco. Sin embargo es importante que el vapor utilizado para procesos o calefaccin sea lo ms seco posible por eso se utiliza separadores y trampas de vapor. La calidad del vapor se describe mediante su fraccin seca, que es la proporcin de vapor completamente seco presente en el vapor considerado.Este vapor es el ideal para las aplicaciones de proceso y calefaccin.

Vapor saturado

El "vapor saturado" es vapor a la temperatura de ebullicin del lquido. Es el vapor que se desprende cuando el lquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor.Este se utiliza en multitud de procesos industriales difcil de sealar de un vistazo, pues interviene en procesos fsicos, qumicos, etc. en la obtencin de mltiples elementos. Tambin es el mtodo ms efectivo y de menor costo para esterilizar la mayora de los objetos de uso hospitalario, mediante autoclaves. Se utiliza el vapor saturado a presin atmosfrica en la hidrodestilacin, que son procesos donde por ejemplo se obtiene el aceite esencial de una planta aromtica. En labores de limpieza con vapor. En la pasteurizacin de alimentos y bebidas, etc.

Vapor hmedoLa zona de vapor hmedo (tambin conocida como la zona de dos fases) representa todos los valores del vapor en su condicin de hmedo. Sus lindes son la lnea de agua saturada y la lnea del vapor saturado.Llamado tambin Vapor sobresaturado, es un vapor que contiene agua condensada, casi siempre en forma de pequeas gotas (niebla). Estas gotas de agua no transportan entalpa especfica de evaporacin, hay una reduccin en relacin con la entalpa especfica del vapor a una presin determinada. El volumen del vapor hmedo es, por tanto, menor que el del vapor saturado seco. Son las gotas de agua en suspensin las que hacen visible al vapor. El vapor como tal es un gas transparente pero las gotas de agua le dan un aspecto blanquecino al reflejar la luz.

Vapor recalentado

Si la transferencia de calor contina despus que se ha evaporado toda el agua, la temperatura del vapor seguir aumentando y se denomina vapor recalentado entendiendo como tal, al vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado a la presin correspondiente.La zona de vapor recalentado representa el vapor a una temperatura superior a su temperatura de saturacin. Si se calienta el vapor saturado a una presin constante, se producir vapor recalentado.El "vapor sobrecalentado" es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullicin. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. Tambin se obtiene en las calderas de vapor pero que tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullicin por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustin.

Se utiliza para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque tambin se ha usado el vapor saturado, el sobrecalentado tiene ventaja. As que se usa en locomotoras de vapor (con muy pequeo grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generacin elctrica en centrales termoelctricas tanto convencionales como nucleares, centrales geotrmicas, en las centrales llamadas ciclos combinados. Tambin se utiliza en variados procesos industriales como por ejemplo el de secado de la madera, destilacin, obtencin del coke.

III.- Calderas Acuotubulares

Las calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del siglo XVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseos de hoy da. Una caldera acuotubular consta bsicamente de tambores y de tubos. Los tubos a travs de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado estn fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho ms pequeos en dimetro que el tambor de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones.El costo inicial de una caldera acuotubular es ms alto que el de una caldera pirotubular equivalente, sin embargo, una mayor eficiencia compensar este costo inicial. La adicin de algunos equipos destinados a la recuperacin de calor permitir la recuperacin de los costos ms rpidamente. Las calderas acuotubulares son de dos tipos: De tubos horizontales rectos y de tubos doblados.

Caldera de tubos horizontales rectosEstn constituidas por bancos de tubos que por lo general estn en zg zag con una inclinacin de 15 a 25 para favorecer la circulacin. Este tipo de caldera fue muy popular entre 1920 y 1940 y era utilizado para producir vapor de proceso y ocasionalmente generar calentamiento en edificios. Su produccin estaba limitada a 10.000 Ibs/h por cada pie de ancho de la caldera. Sus principales desventajas eran una limitada capacidad para una adecuada separacin del vapor del agua a altas ratas de evaporacin y una pobre distribucin de circulacin.

Caldera acuotubular de Cornwall Caldera acuotubular de cornwall

Las calderas acuotubulares (el agua est dentro de los tubos) eran usadas en centrales elctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor dimetro y dimensiones totales una presin de trabajo mayor, para accionar las mquinas a vapor de principios de siglo. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefaccin, y estn inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte ms alta, provoque un ingreso natural del agua ms fra por la parte ms baja. Originalmente estaban diseadas para quemar combustible slido.Vista frontal

Se conoce como vapor de agua al fludo aeriforme o gaseoso que resulta de la vaporizacin del agua. La produccin del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las caractersticas fundamentales del estado gaseoso, que son la presin y la temperatura. A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presin a que se encuentre sometido dicho lquido, y tambin a cualquier presin puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

Caldera Acuotubular de Steinmller. El Laboratorio de Mquinas Trmicas de la Escuela Industrial OTTO KRAUSE tiene dos calderas de esta clase, gemelas, marca Steinmller, desde 1913, siendo el primer Laboratorio para prcticas con alumnos de sudamrica. Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre el hogar y un colector cilndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilndrico, en donde se produce la separacin del agua y el vapor. Adems el vapor que se obtiene puede ser hmedo o seco, hacindolo pasar por un sobrecalentador. La produccin de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a una presin de rgimen de 13 atm. absolutas y 300 C de temperatura. Desde su construccin estaban preparadas para quemar carbn, pero en el ao 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorpor sopladores y quemadores para combustibles lquidos.En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las vlvulas de seguridad, termmetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.A lo largo de los ltimos 50 aos, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustin, transmisin del calor, circulacin del agua y de la mezcla agua-vapor y del acondicionamiento del agua de alimentacin.

Caldera Belleville. Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaos, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.La caldera de la izquierda tiene un hogar con dos entradas para ingreso del combustible slido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior, con las vlvulas de seguridad incorporadas. Es para una presin de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 C.Calderas de Tubos Doblados. Este diseo ofrece mayor flexibilidad pues donde la altura libre es limitada la caldera puede hacerse ancha y baja, o puede ser alta y estrecha en los sitios donde la limitante sea la amplitud. Los principales elementos de una caldera de este tipo son esencialmente drums o tambores conectados por tubos doblados. Las primeras unidades fueron de 4 tambores y, aunque este era un diseo bastante aceptable, fue mejorado por el de 3 y ms tarde por el de 2 tambores. Caldera de tubos dobladosAlgunas ventajas que estas calderas muestran sobre las de tipo horizontal son las siguientes:

Respuesta rpida a fluctuaciones de carga. Gran economa en la fabricacin y operacin. Mayor accesibilidad para limpieza y mantenimiento. Produccin de un vapor de mejor calidad. Capacidad para trabajara ratas de evaporacin mucho ms altas.

Calderas de Tubos Doblados y Paredes de Agua. Cuando se necesitaron calderas de mayor capacidad se hizo necesario aumentar el tamao de los hornos lo que incremento fa temperatura en ellos. Esto trajo como consecuencia un excesivo mantenimiento en el refractario del horno, especialmente cuando se quemaba carbn. Las ms altas temperaturas de gases incrementaron el ensuciamiento de las superficies de transferencias.En sus esfuerzos por producir calderas ms eficientes y econmicas los diseadores desarrollaron un horno, virtualmente rodeado por una superficie de transferencia en forma de paredes. Estas paredes estn constituidas por bancos de tubos y se llaman paredes de agua o paredes de tubos de agua y adems de evitar las excesivas temperaturas por ensuciamiento aumentan la capacidad de generacin. A partir de la aparicin de lag calderas con paredes de agua, los diseos se estandarizaron en tres tipos bsicos: Calderas tipo A, tipo O y tipo D.

Calderas Tipo A. Consisten de un tambor de vapor y dos tambores de lodos arreglados de forma que asemejan una A con el tambor de vapor en el vrtice y los tambores de lodos en el fondo.

Caldera Tipo A

Calderas Tipo O. Constan de un tambor de vapor localizado directamente encima del tambor de lodos pero ambos se encuentran en el centro de la caldera y los tubos que los unen asemejan una O.

Calderas Tipo O y Tipo DCalderas Tipo D. El tambor de vapor est directamente encima del tambor de Iodos pero hacia un lado del horno y una serie de tubos une !os tambores verticalmente. El resto de tubos se extiende horizontalmente desde los tambores de vapor y lodos hasta las paredes del horno donde se convierten en tubos de pared de agua.

Ventajas de las calderas de tubos de agua:Tienen un pequeo contenido de agua, y por lo tanto responden rpidamente a los cambios de carga y entrada de calor.Los tubos de pequeo dimetro y tambor de vapor significan que las presiones de vapor mucho ms altos se pueden tolerar, y hasta 160 bar pueden ser utilizados en las centrales elctricas.El diseo puede incluir muchos quemadores en cualquiera de las paredes, dando opciones de coccin horizontales, o verticales, y la facilidad de control de la temperatura en diferentes partes de la caldera.Esto es particularmente importante si la caldera tiene un sobrecalentador integrante, y la temperatura del vapor sobrecalentado tiene que ser controlada.

Desventajas de las calderas de tubos de agua:Ellos no son tan fciles de hacer en forma empaquetada como las calderas pirotubulares, lo que significa que se requiere ms trabajo en el sitio.La opcin de mltiples quemadores puede dar flexibilidad, pero los 30 o ms quemadores utilizados en estaciones de energa significa que los sistemas de control complejos son necesarios.

3.2 Anlisis trmicoConsiste en aplicar el Principio de Conservacin de la masa y de la energa a una Caldera o Generador de Vapor, trabajando a rgimen estable. Su objetivo es cuantificar las energas (o flujos de calor) que entran y salen del equipo, permitiendo evaluar la importancia relativa de cada una de ellas. Un balance trmico realizado correctamente, exige la identificacin de todas las energas (o flujos de calor) transferidas. Sin embargo, por razones prcticas o por limitaciones en la adquisicin de datos, es frecuente la aplicacin de un Balance Trmico Simplificado, que considera slo aquellas energas de mayor relevancia. En el balance trmico se debe definir una temperatura de referencia que en general es OOC adems, se consideran las ganancias y las prdidas de energa asociada a masas o flujos msicos, como asimismo algunas prdidas de calor que no estn vinculadas a una masa o flujo msico, como por ejemplo las prdidas por radiacin y conveccin al ambiente

Energas (o flujos de calor) que entran = Energas (o flujos de calor) que salen Ecomb (PCI) + Ecomb (sensible) + Eaire + Eagua = Evapor + Ep.c. + Eprdida Ecomb (PCI) + Ecomb (sensible) + Eaire = Evapor - Eagua + Ep.c. + Eprdida

GANANCIAS DE CALOR = CALOR AL AGUA + PERDIDAS DE CALOR

En las ecuaciones siguientes "En se calcula como energa en la unidad de tiempo es decir, como flujo de calor o potencia.

a) Clculo de las Ganancias de Calor: Ecomb (PCI): Flujo de energa entregada por el poder calorfico inferior del combustible. Es el aporte ms importante de energa. Ecomb (PCI) = mc . PCI (Kcal/h) mc = Consumo de combustible (Kg/h) PCI = Poder calorfico inferior (kJ/kg)

Ecomb (S): Flujo de calor sensible que depende de la temperatura con que ingresa el combustible a la cmara de combustin (hogar). Es importante slo si existe precalentamiento de combustible. Ecomb (S) = mc. hc (Kcal/h) mc = consumo de combustible (Kg/h) hc = entalpa del combustible (Kcal/kg) = CPcomb. (Tcomb - Tref) Tcomb = temperatura de ingreso del combustible a la cmara de combustin. Eaire: Flujo de calor sensible que depende de la temperatura con que ingresa el aire al hogar. Es importante slo si existe precalentemiento de aire. Eaire = mc. Ra/c . ha (kW) mc = consumo de combustible (Kg/h) Ra/c = razn aire combustible real de la combustin (kgaire/kgcomb). Se determina del anlisis de combustin. ha = entalpa del aire (kJ/kg) = CPaire . (Taire - Tref). CPaire = 1 kJ/(kg.K) Taire = temperatura de ingreso del aire a la cmara de combustin. b) Clculo del calor al agua Qw: Qw Es el flujo de calor absorbido por el agua. Determina la capacidad de la caldera. Qw = Evapor - Eagua = mw. (h2 - h1) Kcal/h mw = cantidad de agua consumida (o vapor generado) Kg/h, donde h1, h2 son las entalpas del agua a la entrada y salida (kJ/kg). Se obtienen de tablas de vapor. c) Clculo de las prdidas de calor: Ep.c. : Es el flujo de calor que se pierde en los productos de la combustin que salen por la chimenea al ambiente. Es la prdida ms importante e implica un anlisis detallado de la combustin. A continuacin se indica una forma de clculo aproximada. Ep.c. = mg.hpc (kJ/kg) mg = flujo de gases de combustin mg = ma + mc (kg/h) hp.c. = entalpa de los productos de combustin en (kJ/kg gases). hp.c. = CPaire . (Tch - Tref) Tch Debe medirse la temperatura en la base de la chimenea.

Energa perdida: Energa por paredes, purgas, cenizas calientes, combustible no quemado en los humos y otras indeterminadas. Se pueden calcular indirectamente del mismo balance trmico o realizando estimaciones segn el tamao de la caldera (en % PCI). 7.2.-Rendimiento trmico: El Rendimiento Trmico es el ndice del aprovechamiento de la energa en una caldera. Para determinarlo, se establecen dos mecanismos: a) Medicin del Rendimiento Directo

Para determinar el Rendimiento Trmico se requiere medir el consumo de combustible, el vapor generado, la presin, la temperatura del agua a la entrada y la salida y el tipo de combustible. b) Medicin del Rendimiento Indirecto.Considerando que la ganancia principal proviene del PCI del combustible y las prdidas de calor (Epc y E prdidas) se pueden expresar en funcin de cada kg de combustible mc, se tiene:

donde: hpc = entalpa de los p.c. (kJ/kg). En rigor se obtiene midiendo la temperatura y la composicin de los p.c. y en forma aproximada hpc ~ CPaire . (Tch - Tref) qp = prdidas de calor (diferentes a los p.c.) expresadas en porcentaje del PCI. Depende del tamao y produccin de vapor de la caldera. El Rendimiento Indirecto se puede calcular sin conocer los flujos msicos de consumo de combustible y de generacin de vapor con exactitud, pero se debe realizar un anlisis de los productos de combustin (composicin y temperatura) y conocer el PCI del combustible que se est quemando. Su principal inconveniente es una menor precisin con respecto al rendimiento directo.

IV.- Calderas PirotubularesCaractersticas principales de calderas pirotubulares. Bsicamente son recipientes metlicos, comnmente de acero, de formas cilndricas o semicilndricas, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior circulan los gases de combustin. Por problemas de resistencia de materiales, su tamao es limitado. Sus dimensiones alcanzan a 5 m de dimetro y 10m de largo. Se construyen para flujos mximos de 20.000 kg/h de vapor y sus presiones de trabajo no superan los 18 bar. Pueden producir agua caliente o vapor saturado (*). En el primer caso se las instala un estanque de expansin que permite absorber las dilataciones de agua. En el caso de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 an sobre los tubos superiores. Entre sus caractersticas se pueden mencionar: - sencillez de construccin - facilidad de inspeccin, reparacin y limpieza - gran peso - lenta puesta en marcha - gran peligro en caso de explosin o ruptura debido al gran volumen de agua almacenada.

En los primeros diseos, la caldera era simplemente un casco tambor con una lnea de alimentacin y una salida de vapor montado sobre una caja o marco de ladrillos. El combustible era quemado sobre una parrilla debajo del casco y el calor liberado era aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases salieran por la chimenea.Los diseadores de calderas muy pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era necesario poner una mayor porcin de esa agua en contacto con el calor.

Caldera pirotubular de un solo pasoUna manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustin dentro del recipiente o casco de la caldera. Este diseo dio origen a las calderas pirotubulares. Este nombre se debe a que en ellas e! calor es transferido desde los gases de combustin, que fluyen por el interior de los tubos, a el agua que los rodea.El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o ms pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua est generalmente 2" por encima de la huera de tubos ms alta.Las altas presiones son una de las mayores limitantes de estas calderas. La fuerza que se ejerce a lo largo del tambor es dos veces la fuerza que se ejerce alrededor de la circunferencia. De lo anterior se deduce que para altas presiones y mayores capacidades se necesitaran paredes extremadamente gruesas, lo que las hace antieconmicas.Aunque su gran capacidad de almacenamiento de agua le da habilidad para amortiguar el efecto de amplias y repentinas variaciones de carga, este mismo detalle hace que el tiempo requerido para llegar a la presin de operacin desde un arranque en fro sea considerablemente ms largo que para una caldera acuotubular.Una presin de 250 psig y una produccin hasta de 25.000 Ibs/hora son considerados los topes prcticos para este tipo de calderas. Sin embargo, en Europa se construyen unidades de hasta 30.000 Ibs/hora de produccin. Esto las hace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequea y no se requiera su aplicacin en turbinas.Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocs.1.3.3 De Retorno Horizontal. Son calderas de un bajo costo inicial y de simple construccin, muy usadas en sistemas de calentamiento de edificios y produccin de vapor para pequeas factoras.Consisten de un casco cilndrico con gruesas paredes terminales entre las cuales se encuentra soportado un gran nmero de tubos de 3" o 4" de dimetro, aunque se pueden tener dimetros menores, esto da mayor superficie de transferencia y por ende mayor generacin de vapor. Ver figura

Caldera de retorno horizontal.La caldera est suspendida sobre unos muros de ladrillo en un horno. La parrilla o quemadores estn localizados directamente debajo de la parte de enfrente del casco o tambor.De Horno Interno. Llamada tambin tipo escocs, la combustin tiene lugar en un horno cilindrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera. Los tubos de humo estn a lo largo del casco y envuelven al horno por los lados y su parte superior.

Caldera pirotubular de horno internoLos gases que salen del horno cambian de direccin en una cmara en el extremo y regresan, recorriendo completamente !a unidad, hasta una caja de humos localizada en el frente. Este tipo de caldera fue muy utilizado en los barcos.V.- Equipos Auxiliares y Anlisis Trmico5.1 SobrecalentadoresCada presin de vapor saturado tiene su temperatura correspondiente, el calor aadido al vapor seco a presin constante se conoce como sobrecalentamiento y da como resultado una mayor temperatura que la indicada en la curva para la presin correspondiente, el sobrecalentamiento seda cuando el vapor saturado sale del domo superior de la caldera y es conducido a un banco de tuberas en donde el vapor absorbe mayor cantidad de energa por radiacin y conveccin. Las ventajas del vapor sobrecalentado son: 1) El trabajo puede realizarse a travs de sobrecalentamiento antes de que tenga lugar la condensacin, 2) Este periodo de trabajo realizado con vapor seco elimina los efectos corrosivos y agresivos del condensado, adems se incrementa la eficiencia de la caldera, una temperatura constante del vapor sobrecalentado se requiere ya que las turbinas de vapor estn diseados para trabajar a 900 F de vapor a la cual trabaja con mayor eficiencia.

5.2 EconomizadoresCuando el calor perdido de los gases de chimenea es recuperado para calentar lquidos, con el propsito de suministrar agua caliente, calentamiento de agua de alimentacin en calderas de vapor, o para el uso de agua en sistema de calefaccin, generalmente se usa un intercambiador de calor de superficies extendidas. Los tubos que contienen el liquido que ha de calentarse conectan en forma agrupada y llevan soldadas en el exterior aletas de metal con el propsito de aumentar el rea de transferencia de la energa contenida en los gases. Los tubos estn a menudo conectados en serie, pero tambin pueden estar ordenados en serie y en paralelo para controlar la cada de presin del lado de lquido. La cada de presin del lado del aire es controlada por el espacio que existe entre los tubos dentro del ducto. Los intercambiadores de tubos extendidos estn disponibles en forma empacada en diversos tamaos o pueden ser fabricados de acuerdo a las especificaciones del cliente. El control de temperatura del lquido calentado se logra mediante un ducto de desviacin (by-pass) el cual vara el flujo de los gases calientes que entran al intercambiador de calor. Los materiales para los tubos y las aletas son seleccionados para resistir la accin corrosiva de lquidos y/o gases de chimenea. Bsicamente todos los economizadores son parecidos, ya que los flujos de gas y agua, espaciamiento de tubos, y dems accesorios varan muy poco entre los diferentes fabricantes.

5.3 RecalentadoresUn recalentador es un dispositivo instalado en una caldera que recibe vapor sper calentado que ha sido parcialmente expandido a travs de la turbina. La funcin del recalentador en la caldera es la de volver a sper calentar este vapor a una temperatura deseada.En el ciclo de Rankine el recalentador se coloca en la salida del generador de vapor para aumentar an ms la temperatura del vapor antes de ser introducido a la turbina con el fin de aumentar la eficiencia del ciclo, cierta cantidad de este vapor ya expandido en la turbina es utilizado en los calentadores de agua que pueden ser de tipo cerrado o abierto.5.4 CondensadoresEl condensador del vapor, es un componente importante del ciclo del vapor en instalaciones de generacin de potencia. Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para ceder su calor latente de la vaporizacin. Es un componente necesario del ciclo del vapor por dos razones. La primera, convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador o a la caldera de vapor como agua de alimentacin. Esto baja el costo operacional de la planta permitiendo reutilizar el agua de alimentacin, y resulta ms fcil bombear un lquido que el vapor. La segunda razn, aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con los gradientes ms grandes posibles de temperatura y presin entre la fuente de calor (caldera) y el sumidero de calor (condensador). Condensando el vapor del extractor de la turbina, la presin del extractor es reducida arriba de la presin atmosfrica hasta debajo de la presin atmosfrica, incrementando la cada de presin del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reduccin de la presin en el extractor de la turbina, genera ms calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina, por conversin de poder mecnico. Ya que ocurre condensacin, el calor latente de condensacin se usa en lugar del calor latente de vaporizacin. El calor latente del vapor de la condensacin se pasa al agua que atraviesa los tubos del condensador. Despus de que el vapor condensa, el lquido saturado contina transfiriendo calor al agua que se enfra al ir bajando hasta el fondo del condensador. Algunos grados de subenfrado previenen la cavitacin de la bomba.

Figure 18:Condensador de paso simple o de un solo paso.

5.5 Chimeneas y ventilacinLa chimenea es un conducto o pasaje de salida hacia la atmosfera de losgases de combustin, as como cualquier calor residual, es aqu donde se tienela mayor cantidad de prdida de calor, tiene una altura de 70 pies y dimetro de7 pies, con un espesor de 1/4 de pulgada. La chimenea se utiliza para lossiguientes propsitos:a) Evacuar los gases de combustin de la caldera, despus de que han cedidola mayor parte posible de calor.b) Producir un tiro o presin esttica para ayudar a la evacuacin de los gasesde combustin.c) Ayuda a controlar la contaminacin ambiental.

VI.- Seleccin y Control

6.1 Seleccin de Acuerdo a su AplicacinLos parmetros que deben ser considerados en la especificacin de una caldera de agua caliente son los siguientes: Potencia Temperatura a proceso (salida) Diferencia de temperatura (salida retorno) Caudal (mximo mnimo) Presin de trabajo Altura sobre el nivel del mar La potencia est dada por el requerimiento de calor del proceso al que ser suministrada el agua caliente y el caudal ser resultante de la diferencia de temperatura del agua entre la salida y el retorno. La norma BS 2790 recomienda considerar una diferencia de temperatura entre la salida y el retorno menor a 25 C, para evitar choques trmicos en la caldera. Tambin se recomienda no operar con una temperatura de salida y retorno inferiores a 75 C y 65 C respectivamente, para prevenir problemas de condensacin de los productos de la combustin. En el caso de que la temperatura ambiente sea muy baja, es posible considerar aislacin en la chimenea, para prevenir condensacin del agua presente en los productos de la combustin. La presin de trabajo recomendada por la norma BS 2790, para prevenir problemas de ebullicin del agua del sistema, est dada por la presin de saturacin de vapor a una temperatura de 17 C por sobre la temperatura de salida. La determinacin de los requerimientos totales de la carga del sistema requiere un entendimiento del tipo de carga en el sistema. Existen 3 tipos decargas: calentamiento, proceso y combinacin.

Carga de Calefaccin Una cargadecalentamientoesgeneralmentevapordebajapresinoaguacaliente, yes relativamente sencilla de definir ya que no existen grandes cambios instantneos de carga. Y, una vez que se calcula la carga de calefaccin, el nmero puede ser fcilmente interpretado para conocer los requerimientos de tamao del equipo. Una carga de calefaccin es utilizada para mantener un edificio a una cierta temperatura deconfort. Las cargas de enfriamiento, usando vaporpara alimentar un sistema de refrigeracin por absorcin, tambin se incluye cuando se calcula la carga de calefaccin. Las caractersticas de una carga de calefaccin incluyen grandes cambios debido a la temporada, pero presentan pequeos cambios instantneos de carga.La caldera debe ser dimensionada para las peores condiciones climticas posibles locualsignificaquela capacidad mxima raramente se llegaa utilizar. Carga de Proceso Una carga de proceso es usualmente alta presin de vapor. Una carga de proceso pertenece a las operaciones de manufactura o fabricacin, donde el calor delvapor o del aguacaliente se utiliza en el proceso. Una carga de proceso se define tanto como continua o por etapas. En una carga continua, la demanda se puede considerar constante, como en una carga de calefaccin. La carga por etapas se caracteriza por demandas de corto plazo. La carga por etapas es un asunto clave cuando se selecciona el equipo, ya que una carga de proceso por etapas puede tener una demanda instantnea muy grande que puede ser varias veces superior a la capacidad de la caldera. Por ejemplo, basado en su tamao, un serpentn de calefaccin puede consumir una gran cantidad de vapor sencillamente para llenar y presurizar el interior del serpentn. Cuando se disea un cuarto de calderas para una carga de proceso con una demanda instantnea, se debe haceruna seleccin cuidadosa de la caldera. Carga Combinada Muchas instalaciones tienen una mezcla de cargas diferentes tipos de cargas de proceso y combinaciones de carga de calefaccin y de procesos. La informacin dada para ambas cargas(calefaccin y procesos) debe ser considerada cuando se est estudiando unacarga combinada.Definiendo las Variaciones de CargaLas cargas en un proceso varan y una planta de energa debe ser capaz de mantener el mnimo, mximo y cualquier tipo de variaciones de carga. La seleccin de la caldera generalmente se hace pensando en la variacin de la demanda de carga, en vez del total de la cantidad de vapor o agua caliente requerida. Existen tres tipos de bsicos de variaciones de carga: temporal, diaria e instantnea. Variacin temporal Para un sistema de calefaccin, las variaciones por temporada pueden significar que no exista demanda en el verano, una ligera demanda en otoo y primavera y una fuerte demanda eninvierno.Lasoperacionesmanufacturerasodefabricacinocasionalmentetienen variaciones, porque la demanda de produccin puede variar. Cuando se seleccione el equipo de la caldera, la mnima y mxima carga para cada temporada debe ser determinada.

Variacin Diaria La variacin diaria puede ocurrir debido a variaciones en las horas de trabajo, o en el calorrequerido adiferentes horas del dao fines desemana. Lasvariaciones detemporada mnima y mxima mencionadas anteriormente pueden reflejar estos cambios si ocurren diariamente. Si no, las cargas mximas y mnimas en el da debern serincluidas. Las variaciones de temporada y diarias definen el tamao de la carga que la(s) calderas deben soportar. Las variaciones de temporada y diarias tambin ayuda a definir el nmero de calderas y los requerimientos de modulacin (turndown).

Demanda InstantneaLademandainstantneaes uncambiorepentino decarga queusualmente tiene pocaduracin.Este tipo de cargas algunas veces se ocultan. Muchas mquinas o procesos se especifican enunidadesdeflujomsicodevaporounidadesdeenergasuministradaonecesaria bajo condiciones de operacin balanceadas, y no se le da importancia a arranques en fro, picos o cargas de levante. La demanda de carga instantnea es importante cuando se selecciona una caldera, ya que asegura que estas variaciones de carga han sido consideradas en el proceso de seleccin. Si la demanda instantnea no se incluye en los clculos de la carga del sistema, la(s)caldera(s) y sus equiposperifricos pueden estar subdimensionados.

Seguimiento de la carga El seguimiento de la carga es la capacidad de la caldera para responder a cambios en la demanda de vapor o agua caliente. Mayormente asociado con las cargas del proceso, el seguimiento de carga se enfoca en la capacidad de la caldera parasuministrar un volumen constante de vapor a la presin requerida. Lacapacidad delacalderaparaseguir unacargavariabledependedel tipo decaldera,la capacidad de modulacin del quemador, el control de la vlvula de suministro y el diseo del control de combustible. Si el anlisis de la carga muestra condiciones de carga altamente variables, puede ser necesario un control ms complejo. Este tipo de control se logra con sistemas de operacin sofisticados. Si la aplicacin tiene demandas de carga instantneas, donde un gran volumen de vapor se requiere porun perodo corto de tiempo,unacalderaconunagranreservade almacenamiento de energa como lo es una caldera tubos de humo, debe ser considerada. Si la aplicacin indica grandes variaciones de demanda de carga, donde las fluctuaciones de carga son frecuentes por largos perodos de tiempo, la mejor opcin es probablemente una caldera tubos de agua, porque contiene menos cantidad de agua y puede responder a esas variaciones con mayor rapidez. En todos los casos, la operacin del quemador debe ser tomada en cuenta cuando se selecciona una caldera para cumplir con las demandas del sistema. El quemador requerir de controles de operacin apropiados que puedan detectar con precisin las variaciones en las demandas y debe ser capaz de los requerimientos de modulacin. La vlvula de suministro de agua y el diseo del control tambin son crticos si espera que existan fluctuaciones de carga. Tipo de Carga Los sistemas de calefaccin y cargas no crticas que no resulten en una prdida repentina de produccin generalmente cuentan con poco o nulo respaldo. Aunque esto no es recomendable, anseutilizaenlaprctica. Estetipodeaplicacionesconfanenlacapacidadparahacerreparaciones rpidamente y reducir as el tiempo de paro. El riesgo de no contar con respaldo es la prdida total de calor cuando la caldera no est en servicio. Cuando las cargas de proceso o calefaccin usan mltiples calderas durante las horas pico yuna caldera durante la mayor parte del tiempo, la disponibilidad de una caldera adicional debe considerarse para proveer un completo respaldo durante la demanda mxima. En aplicaciones con requerimientos de vapor o agua caliente crticos, las leyes o normas pueden dictar un respaldo. Incluso si las leyes o las normas no dictan un respaldo, existen muchos casos donde la operacin no puede tolerar el paro. Por ejemplo, un hotel usa agua caliente 24 horas al da, siete das a la semana. Durante perodos de mantenimiento o en una emergencia, se requiere de una caldera de respaldo.

6.2 Controles de temperatura Estos dispositivos controlan las altas o bajas temperaturas del combustible No.6. Consiste en un elemento sensible que responde a los cambios de temperatura y a travs de un diafragma o fuelle, un acoplamientomecnicoacta un interruptor para mantener la temperatura dentro de un lmite determinado.Los sistemastrmicosde estos controles de temperatura comprenden: El Bulbo, un elemento de expansin y untubo capilarque conecta al bulbo y el elemento de expansin.

Estos se dividen en cuatro clases:

Lquido no metlico: El sistema trmico est completamente lleno de un lquido no metlico y opera por el principio de la expansin de ste.Lquido voltil: El sistema est parcialmente lleno de un lquido voltil y opera por el principio del cambio de presin con la temperatura.Gas: El sistema est lleno de un gas y opera por el principio del cambio de presin por la temperatura.

Mercurio o MercurioTalio: El sistema trmico est lleno con mercurio en amalgamaeutctica, que opera por el principio de dilatacin de lquido.

En la caldera de combustible pesado que poseen calentadores elctricos y de vapor para el combustible encontramos los siguientes controles termostticos:

Control de baja temperatura del CombustibleControl de temperatura del calentador elctrico de combustibleControl de temperatura del calentador de combustible No. 6 con vapor

1.-Control de baja temperatura del Combustible

Es un interruptor termosttico que evita el arranque del quemador o lo para si la temperatura del aceite combustible est ms baja de lo necesario para la operacin adecuada del quemador. Este termostato no requiere de escala diferencial y deber poseer un contacto normalmente abierto que se conecta elctricamente al control programador.

2.-Control de Temperatura del Calentador Elctrico de Combustible

Este control elimina la posibilidad de que el calentador elctrico opere cuando el calentador de vapor est funcionando. La temperatura al a que debe estar colocado este termostato debe ser a unos 200F, y es ms baja que la del termostato de vapor. Este calentador elctrico industrial sirve para proveer aceite combustible a la viscosidad adecuada a la caldera durante, o antes de que el vapor est disponible. Este termostato manda a conectar o desconectar la bobina del contactor que suministra energa a las resistencias del calentador y requiere de una escala diferencial ajustable para que la maquina opere en el rango de temperatura adecuada.

3.-Control de Temperatura del Calentador de Combustible con Vapor

Cuando en la caldera ya se ha producido vapor y mediante una vlvula reguladora de presin se le suministra al calentador a una presin de 15 psi. La temperatura a que debe estar regulado es entre 200 y 230F, y el calentador elctrico se apagar automticamente tan pronto trabaje el calentador de vapor elevando la temperatura de seteo del termostato enunciado en el literal 2.

Adems, el termostato mandar una seal elctrica a la vlvula solenoide del suministro de vapor para que cierre o abra segn lo requerido.

Algunos termostatos instalados en estas maquinas industriales traen un condensador que les sirve para eliminar la chispa producida por los contactos.

6.3 Control de nivel

Las Calderas de operacin automtica deben estar provistas de un interruptor de bajo nivel de agua, el cual impide el funcionamiento del quemador mientras no exista suficiente agua en la caldera, y de otro interruptor que controle la alimentacin del agua para mantener la caldera en operacin continua y/o para evitar la inundacin en la misma. Adems deber estar equipada con indicadores de nivel (tubos de vidrio) que permitan la identificacin visual de la cantidad de agua que tiene la caldera en todo momento, y de una alarma por bajo nivel de agua.Existen tres tipos de controles de nivel de agua, los ms comunes sonControl de nivel de agua por flotadorControl de nivel de agua por electrodosControl de nivel de agua por ampolletas magnticas.Los tres tipos de controles desempean la misma funcin pero sus mecanismos son completamente diferentes1.-Control de Nivel de Agua por Flotados: Est compuesto por cuatro partes principalesEl Receptculo, que est construido deHierro fundidoy est roscado en la parte superior e inferior para conectarlo a travs de la tubera a la calderaEl Cabezal, compuesto por la caja que contiene los interruptores (ampolletas deMercurio) para bajo nivel de agua y para controlar la alimentacin de agua a la caldera.El vidrio visor, es un tubo vidrio templado y resistente a la temperatura que nos permite vigilar en todo momento el nivel del agua del interior de la caldera.Las vlvulas de control, son las que nos permiten referenciar el nivel adecuado del agua de la caldera y nos permiten realizar purgas de nivel de columna.

En la figura anterior se muestran: el control de nivel de llenado de agua y el control auxiliar.En el principal monitorearemos tres niveles: El nivel Alto (marca "A" en el visor) donde la bomba de alimentacin de agua de la caldera estar apagada y el quemador est en condicin de trabajo. El nivel Medio (marca "B" en el visor), en este punto la bomba de agua de la caldera arranca y el quemador seguir aun en condicin de trabajo si no existe otra causaEn el nivel bajo (marca "C" en el visor) el quemador se apaga y suena una alarma.Estos controles de flotador se montan a travs de un tubo a la parte superior de la caldera (Cmara de vapor) y por la parte inferior con un tubo que va a la parte media de la caldera (Cmara de agua), con el objeto de equilibrar presiones y obtener el correcto nivel de agua.

2.-Control de Nivel de Agua por Electrodos Consiste en un control elctrico de baja sensitividad aplicado a sustancias de 20.000 ohm/cm de resistencia especfica, sus componentes elctricos son los siguientes:Un transformador de 12 V. en primario y 300V. en el secundario para el caso de agua dura.Un Relay de dos o tres contactos, normalmente cerrados o normalmente abiertos segn la aplicacin Dos, tres o cuatro electrodos segn sea la aplicacinReseptculo de hierro fundidoTubo visor para observar el nivel del aguaTres vlvulas de pruebaDos conexines roscadas para el montaje en la caldera

Cuando la caldera no tiene agua, los controles del relay se mantienen en sus posiciones de normalmente cerrados, en el secundario del transformador no circula corriente dado que los electrodos no cierran el circuito. En vista que se requiere alimentar de agua la caldera, el arrancador de la bomba de agua se conecta en serie con un contacto normalmente cerrado, y as sta funciona. Al llenar la caldera hasta el nivel alto, cierra el circuito elctrico a travs de los electrodos 9-10, se energiza la bobina del relay, se transfiere la posicin normalmente cerrada del contacto 3-4 a posicin abierta, y se desconecta la bomba de agua.Al genera vapor el agua comienza a bajar, el relay se retroalimenta por medio de los electrodos 7 y 9; pero al llegar a la marca media del visor de nivel, estos rompen el circuito y nuevamente se desenergiza la bobina del relay, cierra el contacto 3-4 a su posicin normalmente cerrada repitindose el ciclo indefinidamentePara el control de bajo nivel de agua, se recomienda instalar un dispositivo similar al anterior con solo dos electrodos en la parte superior de la caldera y con circuito independiente, los extremos de los electrodos debern estar al mismo nivel del limite inferior de nivel de agua en el vidrio visor. Este par de electrodos funcionarn como un simple interruptor que acciona elctricamente el relay y desconectar el programador de la caldera por bajo nivel de agua.

3.-Control de Nivel por Ampolletas Magnticas El principio mecnico es similar al control de nivel por flotador de ampolletas de mercurio utilizado en otras maquinas industriales, con la diferencia que en este caso el control elctrico funciona a travs de ampolletas magnticas.

Sus componentes son los siguiente:Receptculo de hierro fundidoVarilla desplazable verticlamente con flotadorAmpolletas magnticasAlgunos dispositivos de estos traen incorporadas las vlvulas de prueba y visor de nivel de agua, pero generalmente se instalan independientes.

Cuando la caldera est vaca la ampolleta 1 abre el circuito y el quemador se apaga. La ampolleta 2 y 3 cierran el circuito y energiza la bomba de agua el relay magntico R cerrando el contacto CR. A medida que el nivel de agua sube y llega a la altura de la ampolleta #1, sta cierra el circuito, y el quemador est en condiciones de operar; cuando se alcanza el nivel de la ampolleta #2, sta abre el circuito pero no interrumpe el funcionamiento de la bomba de agua ya que se est retroalimentando por el contacto CR. Finalmente cuando el nivel de agua alcanza la ampolleta #3, sta abre su contacto, desconectando la bomba de agua y el Relay R.

Luego al generarse vapor el nivel de agua comienza a descender, y un poco mas abajo de la ampolleta #3, sta cierra su contacto sin afectar en lo absoluto; si continua bajando el nivel de agua hasta un punto ms bajo de la ampolleta #2, sta cierra su contacto y nuevamente enciende la bomba y energizando el relay R, repitindose la operacin durante el funcionamiento normal de la caldera. En caso de existir fallas en el sistema de control de nivel de agua, el nivel de agua puede llegar a bajar ms de la ampolleta #1 y esta abrir su contacto desconectando el quemador.

Ejercicios

2. Un caldero produce 10 000 lb/hr. de vapor con una calidad de 90% y otro produce 6 000 lb/hr de vapor a 500F. Los dos calderos trabajan a 290 psig y tienen un colector comn que recibe la produccin de ambos. Suponiendo que no existen prdidas de energa. a) Determinar el estado del vapor del colector b) Temperatura del vapor del colector

Una caldera acuotubular que produce 30 ton/h de vapor sobrecalientado a 40 ata y 460Cquema el siguiente combustible:C = 84%, H = 5,7%, O = 3,9%, Ash = 6,4%, Qps = 9.000 kcal/kg, con un exceso del 30%,siendo la temperatura en la chimena 250C y la del agua de entrada a la caldera 130C.a) Determinar la composicin de humos en base hmeda.b) Calcular el consumo de combustible.c) Calcular el rendimiento.d) Se desea trabajar a 25 ata manteniendo el exceso, el gasto de combustible y la produccin de vapor de la parte anterior. Calcular la nueva temperatura del vapor sobrecalentado. e) Calcular el nuevo rendimiento.

a) Determinar la composicion de humos en base humedaCombustion(0,84/12)C + 0,057H + (0,039/16)O + (O2 + 3,76N2) CO2 + H2O + N2 + O2

C) 0,84/12 = H) 0,057 = 2O) 0,039/16+ 2= 2+9H +2N) 3,76=

= 0,1079 kmol O2 / kgf= 0,070 kmol CO2 / kgf= 0,0285 kmol H2O / kgf= 0,4059 kmol N2 / kgf= 0,0249 kmol O2 / kgf/ (+ + ) = 0,1397

E = / ( ) = 30 % CO2) Composicion de humos humedosCO2) / (+ + + ) = 13,23%H2O) / (+ + + ) = 5,38%N2) / (+ + + ) = 76,69%O2) / (+ + + ) = 4,71%