Plantas Industriales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN

AGUSTÍN DE AREQUIPA

FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA

MECÁNICA

PLANTAS INDUSTRIALES

APUNTES DE CLASE

Ph.D. ANDRÉS RAMÍREZ MITTANI

CONTENIDO

Introducción…………...1

CAPITULO 1 PLANTAS GENERADORAS DE VAPOR...3

1.1 Plantas industriales...4

1.1.1 Tipos de plantas industriales...4

1.2 Distribución de planta...5

1.2.1 Objetivos de la distribución de planta...5

1.2.2 Principios basicos de la distribucion de planta...5

1.2.3 Tipos de distribucion de planta...6

1.3 Conceptos básicos...8

1.3.1 Métodos de transferencia de calor...8

1.3.2 Principios termodinamicos...9

CAPITULO 2 GENERACION DE VAPOR...13

2.1 El vapor como fluido de trabajo...14

2.1.1 Ciclos del vapor...14

2.1.2 Ventajas del uso del vapor...15

2.1.3 Aplicaciones...16

2.2 Calderas...23

2.2.1 Clasificacion...24

2.2.2 Criterios para la selección de calderas...31

2.2.3 Capacidad de generacion de vapor...31

2.3 Eficiencia y balance térmico de una caldera...33

2.3.1 Eficiencia de una caldera...33

2.3.2 Balance térmico de una caldera...34

2.3.3 Ecuaciones del balance térmico...35

2.3.4 Accesorios de una caldera...37

2.4 Combustion...46

2.4.1 Combustion estequiometrica...47

2.4.2 Combustion real...48

2.4.3 Poder calorifico...49

2.5.1 Principales impurezas contenidas en el agua de aportación y sus

efectos en el interior de las calderas de vapor...53

2.6 Soluciones a los problemas planteados en las calderas de vapor. tratamiento y acondicionamiento del agua...56

2.6.1 Tratamiento físico-químico del agua de aportación...56

2.6.2 Tratamiento interno del agua de caldera...60

2.6.3 Purgas de las calderas...60

2.7 Circuito de encendido de la caldera...63

2.8 Precalentamiento...64

CAPITULO 3 DISTRIBUCION DEL VAPOR...67

3.1 Selección de tuberías de vapor...68

3.1.1 Método analitico...68

3.1.2 Método de la caida de presión...69

3.1.3 Método de la velocidad recomendada...71

3.1.4 Perdidas de vapor en agujeros...72

3.2 Tuberías de condensado...73

3.2.1 Revaporizado...77

3.3 Aislamiento termico...78

3.3.1 Espesores de aislamiento minimo...78

3.3.2 Espesores de aislamiento óptimo...78

3.4 Dilatacion y soportes en tuberias...79

3.4.1 Dilatación...79

3.4.2 Distancia entre soportes de tuberías...81

3.4.3 Estacion de reduccion de presión...82

CAPITULO 4 UTILIZACION DEL VAPOR...83

4.1 Usuarios...84

4.1.1 Clasificacion de usuarios...84

4.2 Trampas de vapor...86

4.2.1 Tipos de trampas de vapor...86

4.2.2 Criterios de selección de trampas de vapor...91

5.1 Objeto del mantenimiento preventivo en salas de calderas...94 5.2 Operaciones diarias...95 5.3 Operaciones semanales...95 5.4 Operaciones mensuales...96 5.5 Operaciones semestrales...96 5.6 Operaciones Anuales...97 LISTA DE FIGURA Figura 2-1 Diagrama T –V...12 Figura 2-2 Diagrama P –V...12

Figura 3-1 Ciclo ideal del vapor...14

Figura 3-2 Ciclo real del vapor...15

Figura 3-3 Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza...16

Figura 3-4 Horno de Vapor...17

Figura 3-5 Calentamiento con Calor (Vapor) Latente...18

Figura 3-6 Generador De Turbina...19

Figura 3-7 Eyector para Condensador de Superficie...20

Figura 3-8 Quemador Asistido por Vapor...21

Figura 3-9 Limpieza de la Tubería de la Caldera con los Sopladores de hollín...21

Figura 3-10 Molino Acondicionador de Bolitas...22

Figura 3-11 Humidificador de Vapor en Ductos de Aire...23

Figura 3-12 Caldera acuotubular...24

Figura 3-13 Componentes de una caldera acuotubular...25

Figura 3-14 Caldera Pirotubular horizontal...26

Figura 3-15 Caldera acuotubular de 2 pasos...27

Figura 3-16 Caldera acuotubular de 3 pasos...28

Figura 3-17 Caldera pirotubular de espalda seca...28

Figura 3-18 Caldera pirotubular de espalda húmeda...29

Figura 3-19 Caldera de recuperación...29

Figura 3-20 Caldera pirotubular con ante-hogar de paredes de agua...30

Figura 3-21 Diagrama Sankey de una caldera...35

Figura 3-22 Válvula de interrupción...38

Figura 3-23 presostato diferencial DANFOSS...39

Figura 3-24 Manómetro tipo bourbon...40

Figura 3-25 Conexión de un manómetro (cola de chancho)...40

Figura 3-26 Visor de nivel de agua...42

Figura 3-31 Proceso químico del ablandamiento del agua...58

Figura 3-32 Coeficiente de solubilidad en agua de los gases en función de la temperatura del agua...59

Figura 3-33 Purga automática de sales o superficie...62

Figura 3-34Evolución del rendimiento de las calderas de vapor en función del % de purgas...62

Figura 3-35 Circuito de encendido...64

Figura 3-36 Economizador...65

Figura 4-1 Abaco para el dimensionamiento de tuberías por la caída de presión sistema internacional...69

Figura 4-2 Abaco para dimensionar tuberías por caída de presión sistema ingles:...70

Figura 4-3 Abaco para la selección de tuberías por velocidad...71

Figura 4-4 Abaco para la selección de tuberías de condensado (SPIRAX SARCO)74 Figura 4-5 Abaco para dimensionar tuberías de condensado con vapor flash y liquido condensado...76

Figura 4-6 Dilatación en tuberías...81

Figura 4-7 Estación reductora de presión...82

Figura 5-1 Trampa de vapor tipo flotador...87

Figura 5-2 Trampa tipo balde invertido...89

Figura 5-3 Trampa tipo bimetálica...90

LISTA DE TABLAS Tabla 3-1 Parámetros de atomización...46

Tabla 3-2 Poder calorífico para combustibles líquidos...49

Tabla 3-3 Poder calorífico para combustibles gaseosos...49

Tabla 3-4 valores recomendados para los gases de combustión...50

Tabla 3-5 Índice de bacharach...50

Tabla 3-6 Valores máximos y mínimos en el tratamiento del agua...63

Tabla 4-1 Pérdidas de vapor en agujeros...72

Tabla 4-2 Espesores de aislamiento...78

Tabla 4-3 Espesores de aislamiento óptimo...79

Tabla 4-4 Coeficientes de dilatación...80

Tabla 4-5 Dilatación de las tuberías (mm cada 10 m)...80

Tabla 4-6 distancias recomendadas en soportes de tubería...82

Tabla 5-1 Comparación entre trampas de vapor...91

APUNTES DE CLASE

INTRODUCCIÓN

El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa.

Mediante el presente documento se plantea el estudio de los componentes de una línea de distribución de vapor, para ello se divide los conceptos en 3 partes: generación, distribución y utilización del vapor, adicionalmente se revisa los conceptos básicos del mantenimiento de calderas.

Los conceptos que se presentan servirán para poseer los conocimientos básicos para la correcta selección de los diversos componentes que conforman una línea de vapor, también se consideran los conceptos de eficiencia tales como: eficiencia de combustión, eficiencia de la caldera, porcentaje de rendimiento, estos últimos no afectan de forma directa a la selección de los componentes, pero si en el aspecto económico.

APUNTES DE CLASE

CAPITULO 1

PLANTAS GENERADORAS DE

VAPOR

1.1 PLANTAS INDUSTRIALES

Se define la planta industrial como el conjunto de máquinas, aparatos y otras instalaciones dispuestas en lugares apropiados, cuyo objetivo es transformar materias con un proceso ya definido. El hombre en este conjunto es el raciocinio de todos los elementos, obteniendo la mayor eficiencia de los equipos.

1.1.1 TIPOS DE PLANTAS INDUSTRIALES

I. POR LA ÍNDOLE DEL PROCESO PUESTO EN PRÁCTICA.

a) Proceso Continuo: Es una planta que trabaja las 24 horas diarias.(ejem. Planta de cemento)

b) Proceso Repetitivo: Es una planta en la que el tratamiento del producto se hace por lotes.

c) Proceso Intermitente: Es una planta en la que se manipulan partidas del producto contra perdido.

II. POR EL TIPO DE PROCESO PREDOMINANTE a) Mecánico

b) Químico

III. POR LAS MATERIAS PRIMAS PREDOMINANTES. a) Maderera

b) Del pescado

c) Petrolera, Petroquímica, Carboquímica. IV. POR EL TIPO DE PRODUCTOS OBTENIDOS.

a) Alimenticia b) Farmacéutica c) Textiles d) Del cemento

V. POR TIPO DE ACTIVIDAD ECONÓMICA a) Agricultura, silvicultura, caza y pesca. b) Explotación de minas y canteras. c) Manufactureras.

d) Construcción. e) Comercio.

APUNTES DE CLASE

1.2 DISTRIBUCIÓN DE PLANTA

La misión del diseñador es encontrar la mejor ordenación de las áreas de trabajo y del equipo en aras a conseguir la máxima economía en el trabajo al mismo tiempo que la mayor seguridad y satisfacción de los trabajadores. La distribución en planta implica la ordenación de espacios necesarios para movimiento de material, almacenamiento, equipos o líneas de producción, equipos industriales, administración, servicios para el personal, etc.

1.2.1 OBJETIVOS DE LA DISTRIBUCIÓN DE PLANTA

 Integración de todos los factores que afecten la distribución.

 Movimiento de material según distancias mínimas.

 Circulación del trabajo a través de la planta.

 Utilización “efectiva” de todo el espacio.

 Mínimo esfuerzo y seguridad en los trabajadores.

 Flexibilidad en la ordenación para facilitar reajustes o ampliaciones. 1.2.2 PRINCIPIOS BASICOS DE LA DISTRIBUCION DE PLANTA

a) Principio de la satisfacción y de la seguridad.- A igualdad de condiciones, será siempre más efectiva la distribución que haga el trabajo más satisfactorio y seguro para los trabajadores.

b) Principio de la integración de conjunto.- La mejor distribución es la que integra a los hombres, materiales, maquinaria, actividades auxiliares y cualquier otro factor, de modo que resulte el compromiso mejor entre todas estas partes.

c) Principio de la mínima distancia recorrida.- A igualdad de condiciones, es siempre mejor la distribución que permite que la distancia a recorrer por el material sea la menor posible.

d) Principio de la circulación o flujo de materiales.- En igualdad de condiciones, es mejor aquella distribución que ordene las áreas de trabajo de modo que cada operación o proceso esté en el mismo orden o secuencia en que se transformen, tratan o montan los materiales.

e) Principio del espacio cúbico.- La economía se obtiene utilizando de un modo efectivo todo el espacio disponible, tanto en horizontal como en vertical.

f) Principio de la flexibilidad.- A igualdad de condiciones será siempre más efectiva la distribución que pueda ser ajustada o reordenada con menos costo o inconvenientes.

1.2.3 TIPOS DE DISTRIBUCION DE PLANTA A. DISTRIBUCION POR POSICION FIJA

El material permanece en situación fija y son los hombres y la maquinaria los que confluyen hacia él.

a) PROCESO DE TRABAJO.-Todos los puestos de trabajo se instalan con carácter provisional y junto al elemento principal ó conjunto que se fabrica o monta.

b) MATERIAL EN CURSO DE FABRICACIÓN.- El material se lleva al lugar de montaje ó fabricación.

c) VERSATILIDAD.- Tienen amplia versatilidad, se adaptan con facilidad a cualquier variación.

d) CONTINUIDAD DE FUNCIONAMIENTO.- No son estables ni los tiempos concedidos ni las cargas de trabajo. Pueden influir incluso las condiciones climatológicas.

e) INCENTIVO.- Depende del trabajo individual del trabajador.

f) CUALIFICACIÓN DE LA MANO DE OBRA.- Los equipos suelen ser muy convencionales, incluso aunque se emplee una máquina en concreto no suele ser muy especializada, por lo que no ha de ser muy cualificada.

B. DISTRIBUCION POR PROCESO

Las operaciones del mismo tipo se realizan dentro del mismo sector. a) PROCESO DE TRABAJO.- Los puestos de trabajo se sitúan por

funciones homónimas. En algunas secciones los puestos de trabajo son iguales. y en otras, tienen alguna característica diferenciadora, cómo potencia, rpm, etc.

b) MATERIAL EN CURSO DE FABRICACIÓN.- El material se desplaza entre puestos diferentes dentro de una misma sección. ó desde una sección a la siguiente que le corresponda. Pero el itinerario nunca es fijo.

c) VERSATILIDAD.- Es muy versátil. siendo posible fabricar en ella cualquier elemento con las limitaciones inherentes a la propia instalación. Es la distribución más adecuada para la fabricación intermitente ó bajo pedido, facilitándose la programación de los puestos de trabajo al máximo de carga posible.

APUNTES DE CLASE

d) CONTINUIDAD DE FUNCIONAMIENTO.- Cada fase de trabajo se programa para el puesto más adecuado. Una avería producida en un puesto no incide en el funcionamiento de los restantes, por lo que no se causan retrasos acusados en la fabricación.

e) INCENTIVO.- El incentivo logrado por cada operario es únicamente función de su rendimiento personal.

f) CUALIFICACIÓN DE LA MANO DE OBRA.- Al ser nulos, o casi nulos, el automatismo y la repetición de actividades. Se requiere mano de obra muy cualificada.

C. DISTRIBUCION POR PRODUCTO

El material se desplaza de una operación a la siguiente sin solución de continuidad. (Líneas de producción, producción en cadena).

a) PROCESO DE TRABAJO.- Los puestos de trabajo se ubican según el orden implícitamente establecido en el diagrama analítico de proceso. Con esta distribución se consigue mejorar el aprovechamiento de la superficie requerida para la instalación.

b) MATERIAL EN CURSO DE FABRICACIÓN.- EL material en curso de fabricación se desplaza de un puesto a otro, lo que conlleva la mínima cantidad del mismo (no necesidad de componentes en stock) menor manipulación y recorrido en transportes, a la vez que admite un mayor grado de automatización en la maquinaria.

c) VERSATILIDAD.- No permite la adaptación inmediata a otra fabricación distinta para la que fue proyectada.

d) CONTINUIDAD DE FUNCIONAMIENTO.- El principal problema puede que sea lograr un equilibrio o continuidad de funcionamiento. Para ello se requiere que sea igual el tiempo de la actividad de cada puesto, de no ser así, deberá disponerse para las actividades que lo requieran de varios puestos de trabajo iguales. Cualquier avería producida en la instalación ocasiona la parada total de la misma, a menos que se duplique la maquinaria. Cuando se fabrican elementos aislados sin automatización la anomalía solamente repercute en los puestos siguientes del proceso.

e) INCENTIVO.- El incentivo obtenido por cada uno de los operarios es función del logrado por el conjunto, ya que el trabajo está relacionado o íntimamente ligado.

f) CUALIFICACIÓN DE MANO DE OBRA.- La distribución en línea requiere maquinaria de elevado costo por tenderse hacia la automatización. por esto, la mano de obra. no requiere una cualificación profesional alta.

g) TIEMPO UNITARIOS.- Se obtienen menores tiempos unitarios de fabricación que en las restantes distribuciones.

1.3 CONCEPTOS BÁSICOS

1.3.1 MÉTODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONDUCCION

La conducción es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.

CONVECCION

La convección es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo.

RADIACION

La radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.

 Radiación térmica:

La radiación térmica tiene básicamente tres propiedades:

 Radiación absorbida. La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía interna, se denomina radiación absorbida. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica, se denominan cuerpos negros.

 Radiación reflejada. Es la radiación reflejada por un cuerpo gris.

 Radiación transmitida. La fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llama radiación transmitida

APUNTES DE CLASE

1.3.2 PRINCIPIOS TERMODINAMICOS SUSTANCIA PURA

Una sustancia pura se ha definido como la que es homogénea e invariable en su composición química. Cuando existe en una mezcla multifásica, su composición es la misma en todas las fases. Por ejemplo: el hielo, una mezcla de hielo yagua líquida, y el vapor de agua son todas sustancias puras. Por otra parte, consideremos una sustancia inicialmente pura, que es una mezcla uniforme de oxígeno y nitrógeno gaseosos y que experimenta un proceso de enfriamiento. Si algo de la mezcla gaseosa se licúa, la porción de líquido tendría una composición diferente de la mezcla de gas restante, y el conjunto ya no sería una sustancia pura.

Las sustancias puras usuales en el análisis termodinámico: H2O, N2, O2, CH4, C4H10, CF3CH2F, CO2, NH3..., son fluidos moleculares sencillos. CAMBIO DE FASE SUSTANCIAS PURAS

Existen tres fases principales para una sustancia pura estas son: sólida, liquida y gaseosa.

Fase Sólida.- Las moléculas están separadas pequeñas distancias, existen grandes fuerzas de atracción, las moléculas mantienen posiciones fijas unas con respecto a las otras pero oscilan esta oscilación depende de la temperatura. Cuando la velocidad de oscilación aumenta lo suficiente estas Moléculas se separan y empieza el proceso de fusión.

Fase Líquida.- El espaciamiento molecular es parecido al de la fase sólida, excepto que las moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre sí. Las moléculas flotan en grupos.

Fase Gaseosa.- Las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no existe un orden molecular, estas se mueven de forma desordenada en continuo choque entre ellas y con el recipiente que las contiene.

Para comprender los procesos de cambio de fase repasaremos los siguientes conceptos.

 VAPORIZACION.- Se produce a cualquier temperatura solo en la superficie de la sustancia, la velocidad del movimiento de las partículas está determinado por la temperatura, cuando esta sea menor el flujo de moléculas también lo será

 EBULLICION.- de produce en todo la sustancia cuando se alcanza la temperatura de saturación.

 TEMPERATURA Y PRESION SATURACION

La temperatura y presión de saturación son aquellas en donde ocurre la ebullición de una sustancia pura. Para una presión de saturación existe un único valor de temperatura de saturación y viceversa. Para el agua, a una presión de 101.35 kPa la temperatura de saturación es 100ºC. En sentido inverso, a una temperatura de 100ºC la presión de saturación es 101.35 kPa.

 LIQUIDO SATURADO Y VAPOR SATURADO

El subíndice f se emplea para denotar propiedades de un líquido saturado y el subíndice g, para las propiedades de vapor saturado. Otro subíndice utilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los

APUNTES DE CLASE

vf : volumen específico del líquido saturado

vg : volumen específico del vapor saturado

vfg : diferencia entre vg y vf.

 LIQUIDO SUB ENFRIADO

El líquido comprimido se encuentra en la región izquierda de la línea de líquido saturado. Figura 1-1. La literatura no ofrece gran cantidad de datos en forma de tablas para los líquidos comprimidos o subenfriados. La variación de las propiedades del líquido comprimido debido a la presión es muy ligera, mientras que con la temperatura muestran mayor dependencia. En la mayoría de los casos, cuando no se dispone de tablas de líquido comprimido para una sustancia pura, los datos sobre el líquido comprimido se pueden aproximar bastante al usar valores de las propiedades del estado líquido saturado a la temperatura dada. Esto implica que los datos del líquido comprimido dependen más de la temperatura que de la presión.

 VAPOR SOBRECALENTADO

El vapor sobrecalentado se encuentra en la región derecha de la línea de vapor saturado. Figura 1-1. Como la región de sobrecalentamiento es de una sola fase, se necesitan dos propiedades intensivas para fijar o definir el estado de equilibrio. Las tablas de vapor sobrecalentado presentan el volumen específico y otras propiedades específicas como función de la presión y la temperatura.

DIAGRAMAS TERMODINAMICOS

Figura 2-1 Diagrama T –V

APUNTES DE CLASE

CAPITULO 2

2.1 EL VAPOR COMO FLUIDO DE TRABAJO

El vapor es un gas generado por la transmisión de calor al agua en una caldera. Suficiente energía debe ser transferida para elevar la temperatura del agua al punto de ebullición (saturación), luego energía adicional debe ser entregada para transformar el agua saturada en vapor saturado sin ninguna elevación de temperatura.

El vapor es un medio de control, de transporte y transferencia de calor; fácil y eficiente. Muchas veces es usado para transportar energía de una locación central (caldera) a diferentes puntos en la planta donde es utilizado para realizar diferentes procesos.

2.1.1 CICLOS DEL VAPOR A. CICLO IDEAL DEL VAPOR

Todo el vapor suministrado por la caldera es recuperado después de haber cedido su energía térmica a los usuarios, no se consideran irreversibilidades y pérdidas.

APUNTES DE CLASE

B. CICLO REAL DEL VAPOR

En una planta de generación de vapor no se aprovecha la totalidad de la energía suministrada por el combustible, la energía útil siempre será menor a la energía suministrada, esto debido a las diferentes perdidas que se producen durante el proceso.

Figura 3-4 Ciclo real del vapor.

2.1.2 VENTAJAS DEL USO DEL VAPOR

A continuación se mencionan algunas de las razones por las cuales se utiliza el vapor en los sistemas industriales.

 Para su producción se utiliza agua, es abundante, barata y fácil de obtener.

 Es muy controlable, a cada presión le corresponde una temperatura, una energía específica y un volumen específico.

 Tiene un alto contenido de energía por unidad de masa.

 Es estéril, de fácil distribución y control.

 El vapor fluye en las líneas de distribución como respuesta a una caída de presión y no necesita bombas para su circulación.

 Los coeficientes de transferencia del calor del vapor son mayores que los del agua.

 Tiene un excelente coeficiente de transferencia térmica (2,3 a 2,9 kW/m² °C). O sea, resulta fácil que el vapor “suelte” el calor que transporta en un punto más frío.

2.1.3 APLICACIONES

El vapor es usado en un gran rango de industrias. Las aplicaciones más comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en fábricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas eléctricas, pero el uso del vapor en la industria se extiende más allá de las antes mencionadas.

Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son: A VAPOR PARA CALENTAMIENTO

I. VAPOR DE PRESIÓN POSITIVA

El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100°C (212°F).

Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presión positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas químicas, y refinerías 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 combustión, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.

APUNTES DE CLASE

En un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual después se convierte en condensado y es descargado a través de una trampa de vapor.

Figura 3-6 Horno de Vapor

Vapor sobrecalentado entre 200 – 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de vapor vistos hoy en dia en el mercado.

II. VAPOR AL VACÍO

El uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100°C (212°F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua caliente, ha crecido rápidamente en los últimos años.

Cuando vapor saturado al vacío es utilizado en la misma forma que el vapor saturado a presión positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada rápidamente con solo ajustar la presión, 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 vacío, debido a que el solo reducir la presión no lo hará por debajo de la presión atmosférica.

Figura 3-7 Calentamiento con Calor (Vapor) Latente

Comparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rápidamente la temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en sí.

C. VAPOR PARA IMPULSO/MOVIMIENTO

El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas. 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 termoeléctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia), 610°C (1130°F), presión supercrítica en sus turbinas.

Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para prevenir daños 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 podría ocasionar daños al material usado en las turbinas. Se utiliza en su lugar vapor saturado a alta presión. En donde se usa vapor saturado, generalmente se instalan separadores en la línea de suministro de vapor para remover el condensado del flujo de vapor.

Además de la generación de energía, otras aplicaciones típicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ej. Compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-8 Generador De Turbina

La fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote el rotor que se encuentra acoplado al generador de energía, y esta rotación genera la electricidad.

D. VAPOR COMO FLUIDO MOTRIZ

El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza “motriz” para mover flujos de liquido o gas en una tubería. Los eyectores de vapor son usados para crear el vacío en equipos de proceso tales como las torres de destilación que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los eyectores también pueden ser utilizados para la remoción continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presión de vacío deseada en las turbinas de condensación (vacío).

Figura 3-9 Eyector para Condensador de Superficie

Vapor motriz de alta presión entra el eyector a través de la tobera de entrada y es distribuido. Esto genera una zona de baja presión la cual arrastra aire del condensador de superficie.

En un tipo similar de aplicación, el vapor también es el fluido motriz primario para los drenadores de presión 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 (inundación).

E. VAPOR PARA ATOMIZACIÓN

La atomización de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecánicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustión y minimizar la producción de hidrocarbonos (hollín). Calderas y generadores de vapor que utilizan combustible de petróleo utilizaran este método para romper el aceite viscoso en pequeñas gotas para permitir una combustión mas eficiente. también los quemadores (elevados) comúnmente utilizaran la atomización de vapor para reducir los contaminantes a la salida.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-10 Quemador Asistido por Vapor

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

F. VAPOR PARA LIMPIEZA

El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la industria es el uso del vapor en los sopladores de hollín. Las calderas que usan carbón o petróleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de hollín para una limpieza cíclica de las paredes del horno y remover los depósitos de la combustión de las superficies de convención para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.

Figura 3-11 Limpieza de la Tubería de la Caldera con los Sopladores de hollín

El vapor liberado fuera de la tobera del soplador de hollín desaloja la ceniza y suciedad seca, la cual caerá en las tolvas o será arrastrado y expulsado con los gases de combustión.

G. VAPOR PARA HIDRATACIÓN

Algunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo. Por ejemplo, el vapor es utilizado para la hidratación en la producción del papel, así que ese papel que se mueve en los rollos a gran velocidad no sufra rupturas microscópicas. Otro ejemplo son los molinos de bolitas. Continuamente los molinos que producen las bolitas de alimento para animales utilizan inyección-directa de vapor tanto para calentar como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en la sección de acondicionamiento del molino.

Figura 3-12 Molino Acondicionador de Bolitas

La hidratación del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidón contenido en los ingredientes, resultando en bolitas más firmes.

H. VAPOR PARA HUMIDIFICACIÓN

Muchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en climas más fríos, utilizan vapor saturado a baja presión 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, preservación de registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire frío por las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deberá ser ajustada a los niveles normales en adiciona una inyección controlada de vapor seco saturado en la línea inferior del flujo de aire.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-13 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 áreas de un edificio.

2.2 CALDERAS

De manera elemental una caldera se puede definir como un recipiente cerrado en el cual el agua se evapora en forma continua por la aplicación de calor por medio de gases.

Estos gases generalmente son producto de la quema de un combustible fósil en el horno de la caldera.

2.2.1 CLASIFICACION

A CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS SEGÚN DISPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS

Las calderas se clasifican en función del paso del fluido caloportador a través de los tubos de intercambio.

(1) CALDERAS ACUOTUBULARES

Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por el interior de tubos durante su calentamiento y los gases de combustión circulan por el exterior de los mismos. Son de aplicación cuando se requiere una presión de trabajo por encima de los 22 bares.

En el caso de calderas de vapor, el título de vapor es muy bajo (0,85), es decir, que el contenido de agua por unidad de masa es muy alto (15%) si no se les añaden subconjuntos secadores del vapor, tales como recalentadores o sobrecalentadores.

Las exigencias de la calidad del agua de alimentación a estas calderas suele ser superior al requerido para otro tipo de calderas.

Los generadores instantáneos también forman parte de la familia de calderas acuotubulares.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-15 Componentes de una caldera acuotubular

(2) CALDERAS PIROTUBULARES

Son aquellas calderas en las que los gases de la combustión circulan por el interior de los tubos y el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos. Son de aplicación principalmente cuando la presión de trabajo es inferior a los 22 bar.

Por su diseño, tienen un gran volumen de agua, dicho volumen de agua les permite adaptarse mejor a las variaciones de la instalación que las calderas acuotubulares.

El vapor producido por las misma suele tener un título de vapor cercano al 1, es decir, que el contenido de agua por unidad de masa es bajo (3%), no siendo necesario instalar equipos auxiliares complementarios.

Las exigencias de la calidad del agua de alimentación son menores a las requeridas por las calderas acuotubulares.

Las calderas pirotubulares se clasifican en función de la disposición del haz tubular en:

• CALDERAS HORIZONTALES: el haz tubular está dispuesto de la parte delantera a la trasera de la caldera.

.

Figura 3-16 Caldera Pirotubular horizontal

• CALDERAS VERTICALES: el haz tubular está dispuesto de la parte inferior a la parte superior de la caldera.

Las calderas pirotubulares se clasifican en función del número de haces tubulares en:

 CALDERAS DE DOS (2) PASOS DE GASES.

En el diseño de dos pasos de humos, se distinguen claramente dos vías de paso autónomas de circulación de los productos de combustión.

Se puede diferenciar una cámara cilíndrica de combustión denominada hogar, localizada en la parte inferior de la caldera y rodeada por una pared posterior totalmente refrigerada por agua (cámara húmeda).

Los gases de combustión producidos por el quemador en la parte posterior de la cámara de combustión (hogar) fluyen en sentido inverso a través del hogar volviendo hacia el núcleo de la llama por la zona exterior de la misma hasta la zona delantera de la caldera para introducirse en los tubos del segundo paso de humos.

Seguidamente, los gases de combustión de la caldera son dirigidos hacia la caja de gases trasera y evacuados al exterior.

Las calderas que se basan en este principio se caracterizan por su bajo rendimiento, así como por el alto contenido de sustancias contaminantes en sus gases de combustión.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-17 Caldera acuotubular de 2 pasos

 CALDERAS DE TRES (3) PASOS DE GASES.

En el diseño de tres pasos de humos, se distinguen claramente tres vías de paso autónomas de sentido único de circulación de los productos de combustión. Se puede diferenciar una cámara cilíndrica de combustión denominada hogar, localizada en la parte inferior de la caldera y rodeada por una pared posterior totalmente refrigerada por agua (cámara húmeda). Los gases de combustión producidos por el quemador en la parte posterior de la cámara de combustión (hogar) fluyen a través de los tubos de humos en el segundo paso de humos.

Seguidamente, los gases de combustión de la caldera cambian de dirección en la parte frontal de la caldera, pasando a través de los tubos de humos en el tercer paso de humos, hacia el conducto de expulsión de gases , por el que se evacuan al exterior.

Las calderas que se basan en este principio se caracterizan por su alto rendimiento, así como por el bajo contenido de sustancias contaminantes en sus gases de combustión. Estas calderas pueden ser instaladas cumpliendo las exigencias medioambientales más rigurosas.

Figura 3-18 Caldera acuotubular de 3 pasos

APUNTES DE CLASE

Figura 3-20 Caldera pirotubular de espalda húmeda

I. CALDERAS DE RECUPERACION DE CALOR

Esta genera el vapor a partir del calor de los gases de combustión generados en distintos procesos de fabricación (alto horno, fabricación de amoniaco) o productos de combustión de incineradores, plantas petroquímicas, centrales azucareras, y hasta de turbinas a gas (ciclo joule brayton), pueden ser acuotubulares o pirotubulares.

J. CALDERAS MIXTAS

La necesidad de utilización de combustibles sólidos para calderas de pequeña capacidad permitió el surgimiento de una solución hibrida, las calderas mixtas.

Básicamente son calderas pirotubulares con una antecámara de combustión con paredes revestidas de tubos de agua.

En la antecámara será la combustión de sólidos a través de braceros de diversos tipos, que permiten ver el volumen de la cámara de combustión, necesario para la combustión de sólidos de gran tamaño, como línea,etc. Las cenizas sobre tiradas por debajo (cenicero). El bagazo de caña representa también un combustible sólido muy utilizado en este tipo de calderas.

Las calderas mixtas no reúnen todas las ventajas de la acuotubular, como la seguridad, mayor eficiencia térmica, etc., Pero es una solución práctica y eficiente cuando se tiene disponibilidad de combustible sólido de bajo costo. Adicionalmente presenta la posibilidad de quemar combustible líquido o gaseoso, con la elección de quemadores apropiados.

APUNTES DE CLASE

2.2.2 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE CALDERAS Básicamente la selección de un caldero depende:

 La demanda de vapor y régimen de consumo, que define las características:

 Capacidad y configuración de la caldera

 Operación – control de la combustión  Tipo y disponibilidad de combustible define:

 Tipo de quemador a utilizar.

 Soporte técnico, que permite garantizar la disponibilidad de asesoría técnica repuestos

2.2.3 CAPACIDAD DE GENERACION DE VAPOR

La capacidad de generación de vapor convencional de un caldero, operando al 100% se da en BHP (caballos de vapor – boiler horse power).

A BHP CONVENCIONAL

El BHP convencional se define como la cantidad de calor necesaria para evaporar 15.65 Kg (34.5 libras) de agua por hora a una temperatura constante de 100°C y 1 bar de líquido saturado a vapor saturado.

K. BHP CORREGIDO

Considerando las condiciones de trabajo se usara la siguiente expresión:

BHP_corregido=mv(hsal−hent) 2257∗15.65

Donde:

m_{v : Flujo másico de vapor}

h_{sal : Entalpia a la presión de trabajo de la caldera}

h_{ent : Entalpia a la temperatura de ingreso del agua de alimentación}

2257 : Entalpia de formación a 1 bar 15.65: definición de BHP convencional

L. PORCENTAJE DE RENDIMIENTO

Una manera de relacionar ambos tipos de BHP se realiza mediante la siguiente relación.

rendimiento=BHPcorregido

BHPconv

Este valor indica el porcentaje extra de potencia que se requiere para generar un mismo caudal de vapor a condiciones reales.

En la definición de BHP convencional el agua se mantiene a 100°C, sin embargo para condiciones reales de trabajo el agua de ingreso tiene una temperatura aproximada de 60°C

2.3 EFICIENCIA Y BALANCE TÉRMICO DE UNA CALDERA

2.3.1 EFICIENCIA DE UNA CALDERA.

Para determinar la eficiencia de cualquier equipo térmico, se puede usar la siguiente relación

η= energiautil

energia suministrada

Para el caso particular de la caldera, la energía útil será la que es absorbida por el agua, y la energía suministrada será la que nos proporcione el combustible. η= energiautil energia suministrada= QH2 O Qcomb Dónde: Q_{H 2 O}=m_L

(

)

Se consideran las energías internas debido a que al momento de encenderá la caldera se tiene agua a condiciones ambientales locales, no existe flujo de vapor, por ende se puede considerar como un sistema cerrado hasta que se alcance la temperatura de saturación a la presión de trabajo de la caldera y empiece a producirse vapor.

Q_comb=m_comb∗PC

η=mL

(

)

Dónde:

m_{L : Flujo másico o masa de agua}

APUNTES DE CLASE

u_{1 : Energía interna a la temperatura ambiental}

u_{2 : Energía interna a la presión de trabajo de la caldera}

2.3.2 BALANCE TÉRMICO DE UNA CALDERA.

Se refiere a los cálculos necesarios para cuantificar la distribución de energía. En este caso la energía que se libera por la combustión se divide en:

- La entregada al vapor de descarga - Las pérdidas por la chimenea - Otras pérdidas indirectas

Las pérdidas por la chimenea a su vez las podemos dividir en: - Calor perdido por el aire seco

- Calor perdido por la humedad ambiente

- Calor perdido por la humedad del combustible - Calor perdido por combustión incompleta.

Si consideramos la humedad de los gases de la chimenea originado por la combustión del hidrógeno, se debería realizar el balance térmico en base al poder calorífico superior.

Como no es conveniente conseguir la condensación del vapor de agua en la chimenea, no consideraremos esa posibilidad, por lo tanto tomaremos como referencia el poder calorífico inferior del combustible seco.

Figura 3-23 Diagrama Sankey de una caldera

2.3.3 ECUACIONES DEL BALANCE TÉRMICO

a) Calor Útil Entregado Al Vapor De Descarga De La Caldera (qv)

Dónde:

mv = caudal en masa o flujo másico de vapor generado (kg vapor agua/s) mc = caudal en masa o flujo másico de combustible consumido (kg comb./s) hs = entalpía del vapor generado (kcal/kg agua)

he = entalpía del agua de alimentación (kcal/kg agua)

b) Calor Perdido Al Ambiente Por El Aire Seco De La Chimenea (qg)

Dónde:

Ras/c = relación de aire seco a combustible seco (kg aire seco/kg comb.).

Cpas = calor específico del aire seco (kJ/kg K) [1,0035 kJ/kg K ó 0,24 kcal/kg K] Ts = temperatura de bulbo seco de gases de descarga de la chimenea (ºC). Te = temperatura de bulbo seco del aire de entrada al hogar (ºC).

APUNTES DE CLASE

Además,

Dónde:

Ra/c = relación de aire húmedo a combustible seco (kg aire húmedo/kg comb.) HE = Humedad específica del aire ambiente (kg vapor agua/ kg aire seco)

c) Calor Perdido Por La Humedad Del Aire De Entrada Al Hogar (qha)

Dónde:

hvs = Entalpía del vapor de agua a Ts y a la presión parcial correspondiente,

[T.V.R ó T.V.S.] (kcal/kg agua)

hve = Entalpía del vapor de agua a Te y a la presión parcial correspondiente

[T.V.S.] (kcal/kg agua)

h’vs = Entalpía del vapor de agua obtenida del D. Psicrométrico (kcal/kg aire

seco)

h’ve = Entalpía del vapor de agua obtenida del D. Psicrométrico (kcal/kg aire

seco)

d) Calor Perdido Por La Humedad Contenida En El Combustible (qhc)

Dónde:

Hc = Humedad del combustible (kg agua/kg comb.)

hvs = Entalpía del vapor de agua a Ts y a la presión parcial correspondiente,

[T.V.R ó T.V.S.] (kcal/kg agua)

hac = Entalpía del agua (líquido saturado) en el combustible a la temperatura

e) Calor Perdido Por Combustión Incompleta (qci)

Dónde:

CC = Contenido de carbono en el combustible (kg /kg)

RVCO = Relación de volumen del CO con respecto al (CO + CO2)

NOTA

ΔE = 23574 kJ/Kg (Energía no utilizada por la combustión incompleta). f) Calor Perdido Al Ambiente Por Convección Y Radiación (qcr)

Dónde:

Hi = Poder calorífico inferior (kcal/kg. Comb.)

2.3.4 ACCESORIOS DE UNA CALDERA A VALVULA DE SEGURIDAD

Uno de los accesorios importantes de la caldera es la válvula de seguridad. Su función es proteger el cuerpo de la caldera de sobrepresión y evitar que explosione.

Hay muchos tipos diferentes de válvulas de seguridad, todas deben cumplir el siguiente criterio:

• La(s) válvula(s) de seguridad deberá(n) dar salida a un caudal de vapor equivalente a la potencia térmica de la caldera.

• El rango de capacidad de descarga total de la(s) válvula(s) de seguridad debe estar dentro del 110% de la presión de diseño de la caldera.

APUNTES DE CLASE

• El orificio que conecta una válvula de seguridad a una caldera debe ser, como mínimo, de 20 mm.

• la tara máxima de la válvula de seguridad será la presión máxima permisible

de trabajo de la caldera.

• debe haber un margen adecuado entre la presión normal de trabajo de la caldera y la tara de la válvula de seguridad.

M. VALVULAS DE INTERRUPCION PARA CALDERAS

Una caldera de vapor debe tener instalada una válvula de interrupción (también conocida como válvula de salida de vapor), que aísla la caldera de vapor y su presión del proceso o la planta. Generalmente, es una válvula de globo en ángulo del modelo de husillo. La Fig. 6.3 muestra una válvula de interrupción típica de este tipo.

Figura 3-24 Válvula de interrupción

En el pasado, estas válvulas estaban fabricadas de hierro fundido, acero y bronce (que se usan para las aplicaciones con presiones más altas). Actualmente, muchos fabricantes de calderas usan válvulas de fundición nodular como estándar en sus propias aplicaciones como válvula de interrupción.

La válvula de interrupción no se diseña como una válvula para proporcionar más o menos vapor, debe abrirse o cerrarse totalmente. Siempre debe abrirse lentamente para evitar aumentos repentinos de presión aguas abajo y golpes de ariete.

En aplicaciones de varias calderas debe instalarse una válvula de aislamiento adicional en serie con la válvula de salida de vapor. Ésta es, generalmente, una válvula del globo de husillo, del tipo de retención que

previene que una caldera presurice a otra. Alternativamente, algunas empresas prefieren usar una válvula globo de husillo con una válvula de retención de disco intercalada entre las bridas de las dos válvulas de aislamiento.

N. PRESOSTATO Y TERMOSTATO

El presostato sirve para controlar la presión de trabajo de una caldera, cuando se alcanza la presión de trabajo manda una señal al quemador para apagarlo, tiene un segundo componente llamado diferencial, el cual se encarga de encender el quemador cuando la presión disminuye a un valor predeterminado por el operador.

Figura 3-25 presostato diferencial DANFOSS

El termostato se utiliza para calderines o sistemas de calentamiento de agua

O. MANOMETRO

Todas las calderas deben tener, como mínimo, un indicador de presión. El dial debe tener, como mínimo, 100 mm de diámetro y ser del tipo de tubo de bourbon. Debe tener marcada la presión de trabajo normal y la presión/ diseño de trabajo máximo permisible.

Los manómetros, normalmente, se conectan al espacio vapor de la caldera por un tubo sifón en R que está lleno de vapor condensado para proteger el mecanismo del dial de altas temperaturas.

Se pueden instalar manómetros en otros recipientes a presión, como tanques de purga de fondo.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-26 Manómetro tipo bourbon.

Figura 3-27 Conexión de un manómetro (cola de chancho).

La denominada cola de chancho se utiliza para evitar fluctuaciones del indicador por el dinamismo de los gases.

P. VISOR DE NIVEL DE AGUA

Para lograr que un caudal de vapor coincida con los requisitos variables de una planta de vapor, es necesario un buen control de nivel de agua de la caldera. Con los pequeños espacios de vapor en las calderas actuales, es esencial una respuesta rápida y precisa a las variaciones en el nivel de agua.

Todas las calderas tienen, como mínimo, un indicador de nivel de agua. un tubo de cristal muestra el nivel real del agua en la caldera sean cuales sean las condiciones de trabajo de la caldera. Deben instalarse indicadores de

nivel para que muestren su lectura más baja del nivel del agua a 50 mm del punto sobre donde ocurrirá el sobrecalentamiento. Alrededor de ellos deben instalarse protectores que no deben impedir la visibilidad del nivel del agua. Los indicadores de nivel son propensos a daños por la corrosión de los químicos en el agua de la caldera, y erosión durante la purga de fondo, especialmente en el lado del vapor. Cualquier señal de corrosión o erosión obliga a cambiar el cristal.

Para comprobar un indicador de nivel, debe seguirse el siguiente procedimiento:

1. Cerrar el grifo de agua y abrir el grifo de purga durante aproximadamente 5 segundos.

2. Cerrar el grifo de purga y abrir la llave del agua. El agua deberá volver rápidamente a su nivel del funcionamiento normal; si esto no ocurriera, entonces podría haber un obstáculo en el grifo de agua y debe remediarse lo antes posible.

3. Cerrar el grifo de vapor y abrir el grifo de purga durante aproximadamente 5 segundos.

4. Cerrar el grifo de purga y abrir la llave de vapor. Si el agua no vuelve a su nivel rápidamente, podría haber un obstáculo en el grifo de vapor y debe remediarse lo antes posible.

El operador autorizado debe comprobar sistemáticamente los indicadores de nivel por lo menos una vez al día llevando la protección necesaria en la cara y las manos para protegerle de quemaduras en caso de la rotura del cristal. Todas las manetas del indicador de nivel deben apuntar hacia abajo cuando está trabajando.

La protección del indicador de nivel debe mantenerse limpia. Cuando se está limpiando la protección debe cerrarse temporalmente el indicador de nivel.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-28 Visor de nivel de agua

Hay que asegurarse de que hay un nivel de agua satisfactorio antes de cerrar el indicador de nivel y tener cuidado de no tocar o golpear el cristal. Después de limpiar, y cuando se haya colocado la protección, el indicador de nivel debe comprobarse y los grifos puestos en la posición correcta. Los significantes desarrollos en los últimos años han producido una mejora en la seguridad y fiabilidad de los controles de nivel de agua en calderas, siendo normales los controles de nivel electrónicos que han remplazado, en muchos casos, los equipos de flotador más antiguos.

Q. QUEMADOR

Los quemadores son los equipos donde se realiza la combustión, por tanto deben contener los tres vértices del triángulo de combustión, es decir que deben lograr la mezcla íntima del combustible con el aire y además proporcionar la energía de activación. En este apartado se describen los quemadores para combustibles líquidos y gaseosos, ya que los combustibles sólidos se queman sobre parrilla, o requieren un tratamiento previo del combustible, unido a quemadores de diseños especiales. Por la forma en que toman el aire de combustión se distinguen dos tipos de quemadores:

- Quemadores atmosféricos. - Quemadores mecánicos.

QUEMADORES ATMOSFERICOS. Únicamente se emplean para combustibles gaseosos. Una parte del aire necesario para la combustión (Aire Primario) se induce en el propio quemador por el chorro de gas salido de un inyector (efecto Venturi); el aire restante (Aire Secundario) se obtiene por difusión del aire ambiente alrededor de la llama. En este tipo de

quemadores se tienen combustiones con altos índices de exceso de aire. La principal ventaja de este sistema es su simplicidad y bajo coste. Aunque se pueden fabricar para potencias unitarias altas (unos 1.200 Kw.), los empleados habitualmente en climatización no superan los 300 Kw. Figura 1: Esquema de funcionamiento de un quemador atmosférico La principal ventaja de este sistema es su simplicidad y bajo coste. Aunque se pueden fabricar para potencias unitarias altas (unos 1.200 kW), los empleados habitualmente en climatización no superan los 300 kW. La energía de activación se logra mediante llama piloto, que debe estar permanentemente Encendida, o con encendidos automáticos (electrónicos, tren de chispas, etc). La regulación del gas se obtiene por variación de la presión en el inyector (abriendo y cerrando progresivamente la válvula de gas); esto permite que el quemador pueda ser modulante con relativa facilidad. La regulación del aire (con gas a presión constante) se puede conseguir: -Variando la sección de entrada de aire, por obturación de los orificios por donde entra, mediante discos roscados, anillo móvil o capuchón deslizante. - Por deslizamiento de la boquilla del inyector respecto del Venturi. Lo más habitual es que únicamente se module la válvula de gas, dejando en una posición fija la entrada de aire en la puesta en marcha

QUEMADORES MECANICOS.

También se denominan como Quemadores a Sobrepresión; el aire de combustión es introducido mediante un ventilador, existen diversos sistemas para lograr la mezcla del aire con el combustible. En el caso de gas, el combustible se introduce mediante los inyectores, aprovechando la propia presión de suministro. En los combustibles líquidos se utilizan diversos sistemas para su pulverización, de modo que es creen microgotas de combustible que facilitan su mezcla con el aire. El tipo más extendido es el de pulverización mecánica. Estos quemadores se fabrican desde pequeñas hasta muy altas potencias. La combustión puede ajustarse actuando sobre el gasto de combustible, sobre la cantidad de aire a impulsar y sobre los elementos que producen la mezcla; por lo que es posible obtener rendimientos de combustión muy altos. Por el número de escalones de potencia que producen, se distinguen los siguientes tipos de Quemadores:

DE UNA MARCHA

Son quemadores que sólo pueden funcionar con la potencia a la que hayan sido regulados, son quemadores de pequeña potencia.

DE VARIAS MARCHAS

Son quemadores con dos ó más escalones de potencia (habitualmente dos); es decir, que pueden funcionar produciendo potencias distintas. Deben disponer de los elementos necesarios para poder regular la admisión de aire y el gasto de combustible, de modo que en cada escalón de

APUNTES DE CLASE

potencia se obtenga el rendimiento de combustión más alto posible. Se utilizan para potencias intermedias o altas.

MODULANTES

Estos quemadores ajustan continuamente la relación Aire - Combustible, de manera que pueden trabajar con rendimientos elevados en una amplia gama de potencias; adecuándose de manera continua a las necesidades de producción.

R. ATOMIZACIÓN DEL COMBUSTIBLE EN EL QUEMADOR

 Quemador de atomización mecánica.

En este tipo de quemador se inyecta el combustible a alta presión, mediante un orificio, permitiendo la pulverización del combustible líquido. Este orificio varía con el tipo de tobera utilizada.

Figura 3-30 Tobera de atomización mecánica

 Quemador de atomización de copa rotativa.

Este tipo de quemador permite mediante un plato rotatorio remover una mayor turbulencia para la homogenización de la mezcla aire combustible.

APUNTES DE CLASE

 Quemador con atomización por vapor

El vapor mezclado con el combustible en la cámara anterior a la boquilla del quemador, propicia una mejor atomización dando gran elasticidad de funcionamiento. La cantidad de vapor corresponde al 35% en peso del combustible.

Tabla 3-1 Parámetros de atomización

2.4 COMBUSTION

 El control de combustión debe mantener la relación aire-combustible en un rango que asegure una combustión continua y una llama estable en todas las condiciones de operación.

 La demanda de combustible no debe incrementar nunca el caudal de combustible por encima del de aire.

 La demanda de combustible no debe nunca exceder la capacidad de los ventiladores en servicio.

 Cuando se queman múltiples combustibles, se totalizarán basándose en sus poderes caloríficos.

 La aportación de calor a una zona o quemador no debe exceder los límites especificados.

2.4.1 COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA

La Oxidación Estequiometrica se produce con cantidades de oxígeno justamente necesarias.

Ej 1. Combustión Estequiometria de Metano en Oxígeno CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

1 mol de metano + 2 moles de O2 generan 1 mol de CO2 y 2 moles de agua.

Ej 2. Combustión Estequiométrica de Metano en Aire CH4 + 2(O2 + 3,76 N2) → CO2 + 2H2O + 2 x 3,76 N2

Nota: El aire contiene una relación porcentual volumétrica nitrógeno/Oxígeno de 79/21 (3,76).

APUNTES DE CLASE

2.4.2 COMBUSTION REAL

La combustión típica se da con exceso de aire.

El aire en exceso se introduce a la cámara para asegurar que las moléculas de combustibles estén rodeadas por suficiente aire de combustión.

La combustión con exceso de aire genera oxígeno sin reaccionar. Ejm. Combustión de Metano con Exceso de Aire

CH4 + 2 (1+ EA) (O2 + 3,76 N2) → CO2 + 2H2O + 2 EA O2 + 2 (1+EA) 3,76

N2

EA: excesos de aire

2.4.3 PODER CALORIFICO

Es la energía que la masa del combustible puede liberar, debido a una reacción química de oxidación.

 PODER CALORÍFICO SUPERIOR E INFERIOR

El agua formada por la oxidación del combustible puede presentarse como líquido o como vapor; esto da origen a dos valores de poder calorífico: PC SUPERIOR → Agua como líquido

PC INFERIOR → Agua como vapor

Combustible PCI KJ/kg PCS kJ/kg Combustibl e PCI KJ/kg PCS kJ/kg Aceite de esquistos --- 38830 Fuel - oil n°1 40600 42695 Alcohol

comercial 23860 26750 Fuel - oil n°2 39765 41860 Alquitrán de hulla --- 37025 Gasóleo (1) _{42275 43115} alquitrán de madera 36420 --- Gasolina (2) _{43950 46885}

Etanol puro (4) _{26790 29720 Petróleo}

bruto 40895 47970 Metanol (4) _{19250 --- Queroseno}

(3) 43400 46970

Tabla 3-2 Poder calorífico para combustibles líquidos

(1) _{densidad a 15°C 850 kg/m}3 (2) _{densidad a 20°C 730 kg/m}3 (3) _{densidad a 15°C 780 kg/m}3 (4) _{densidad a 20°C 790 kg/m}3 Combustible Densid ad Kg/m3 PCI KJ/k g PCS kJ/kg Combustible Densid ad Kg/m3 PCI KJ/kg kJ/kgPCS Gas natural (*) 3990 0 4400 0 Gas de agua 0.71 1 14000 16000 Gas de hulla 0.5 4690 0 Gas ciudad 0.65 0 26000 28000 Gas de

coquería 0.56 31400 35250 Gas de agua carburado 0.77 6 26400 27200 Gas de aire --- 1000 0 1200 0 Propano 506(l ) 1.85( g) 46350 50450 Hidrogeno 0.08 99 1200 11 141853 Butano 580(l₎ 2.4(g ) 45790 49675

APUNTES DE CLASE

Tabla 3-3 Poder calorífico para combustibles gaseosos

(*) Varía según el país de procedencia.

(l), (g) densidad a 20°C en estado líquido y gaseoso respectivamente P.C. medio del biogás = 5554 Kcal/m3

2.4.4 ANALISIS DE LOS GASES DE LA COMBUSTION

Los valores de los gases de escape deberán cumplir con las normas ambientales existentes.

Valores recomendados:

Tabla 3-4 valores recomendados para los gases de combustión

A INDICE DE BACHARAT

El índice de opacidad de BACHARACH mide la opacidad en los productos de la combustión, el índice de BACHARACH se mide:

Nº de BACHARA

T

CARACTERISTICAS DE LA COMBUSTION 1 EXCELLENTE- Hollín prácticamente nulo. 2 BUENA- Hollín presente en valores reducidos,

solo en ciertos tipos de generadores.

3 MEDIANA- Cierta cantidad de hollín puede estar presente. Normalmente no será necesario

4 POBRE- El humo comienza a ser visible. Algunos generadores se ensucian

rápidamente con el hollín otros solo moderadamente.

5 MUY POBRE- en cualquier tipo de generador se producirán ensuciamientos exigiendo varias operaciones de limpieza al año.

Tabla 3-5 Índice de bacharach

S. DECANTADOR DE PARTICULAS

Este permite la captura del material particulado expelido en los gases exaustados por la chimenea. La presencia de este material esta directamente ligada a la eficiencia de la combustión (mezcla desbalanceada, combustión incompleta). Generalmente son del tipo ciclón.

APUNTES DE CLASE

Figura 3-32 Decantador de partículas tipo ciclón.

2.4.5 EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN

La pérdida de calor asociada a los productos de combustión se debe, principalmente a las perdidas por inquemados que surgen cuando existe combustión incompleta, y a la entalpia de los productos de la combustión, correspondiente al calor utilizado en calentar los humos (KJ/Kg) hasta la

temperatura a la cual escapan por la chimenea, ya que a partir de ese punto el calor que llevan no se recupera

%Perdidas = % perdidas en gases+ %perdidas (radiación, convección y otros)

APUNTES DE CLASE

2.5 TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACION

2.5.1 PRINCIPALES IMPUREZAS CONTENIDAS EN EL AGUA DE APORTACIÓN Y SUS EFECTOS EN EL INTERIOR DE LAS CALDERAS DE VAPOR

Sin importar las características químicas de las impurezas, son posibles cuatro casos distintos:

1. Si la impureza es un sólido soluble, aparece en estado de disolución o en solución con el agua.

2. Si el sólido no es soluble en agua, no está en solución sino en estado de suspensión.

3. Aquellas impurezas de naturaleza gaseosa que son parcialmente solubles están en estado de absorción en el agua.

4. Las soluciones coloidales tienen partículas en suspensión, entre ellas las que están en estado de disolución y las que están en suspensión

A CALCIO Y MAGNESIO (CA, MG)

Las principales sustancias contenidas en las aguas naturales o aguas brutas son las sales de calcio y magnesio, normalmente bicarbonatos y sulfatos.

Para caracterizar un agua se definen tres tipos de dureza:

I. La dureza total del agua.- Que es la cantidad total de calcio y magnesio disuelto.

II. La dureza permanente.-Que representa la cantidad de sales de calcio y magnesio que subsisten en el agua después de una ebullición prolongada. III. La dureza temporal o transitoria del agua.-Que está constituida por las sales que han precipitado durante la ebullición.

Para medir la dureza se emplea como unidad el grado de dureza o grado hidrotimétrico. El grado francés corresponde a una parte de carbonato de calcio en 100.000 partes de agua.

Cuando el agua bruta se somete a algún tratamiento para eliminar el calcio y el magnesio, se dice que el agua ha sido ablandada y es apta para emplearla como agua de alimentación.

T. MATERIAS EN SUSPENSIÓN O COLOIDADES

Los coloides se definen como aquellas partículas menores de 0,2 micrómetros y mayores que 0,001 micrómetros (1 micra = 0,001 mm). Las partículas menores, de 0,001 micras se consideran en solución (disueltas). Los efectos que pueden producir son la formación de depósitos e incrustaciones.

U. SULFATOS (SO4)

Contribuyen a aumentar la salinidad total del agua, pudiendo precipitar sulfato cálcico en el interior de la caldera si el agua no está perfectamente desenfurecida, originando una costra muy dura que se adhiere tenazmente a las superficies calefactoras. Esta incrustación se considera la peor a causa de su dureza extrema, la dificultad en su eliminación y su baja conductividad térmica

V. HIERRO Y COBRE (FE Y CU)

Pueden formar depósitos e incrustaciones, así como corrosiones localizadas en los haces tubulares sometidos más directamente a la radiación.

W.MATERIA ORGÁNICA Y ACEITES

El aceite en las calderas constituye una situación peligrosa. El aceite es un excelente aislante del calor y su presencia sobre las superficies expuestas a altas temperaturas puede producir serios sobrecalentamientos y daños a la caldera. El aceite puede entrar en la alimentación a través de su presencia en el suministro de agua bruta procedente de ríos o corrientes contaminados por molinos, aparatos marítimos, desechos o restos de materias comerciales. Los efectos son la formación de depósitos e incrustaciones, así como la formación de espuma en el interior de la caldera, favoreciéndose además, con ello, el arrastre de partículas en el vapor. De esta forma, varía el rendimiento de la caldera y pueden llegar a obstruirse los recalentadores y el colector general de vapor.

X. ALCALINIDAD (TA Y TAC)

La alcalinidad define la capacidad de un agua para neutralizar ácidos. En la mayoría de las aguas la alcalinidad está constituida por los iones de carbonato y bicarbonato.

Pueden producir un aumento de la densidad y viscosidad del agua, con el consiguiente arrastre de gotas de agua por el vapor, así como corrosión intercristalina (fragilidad cáustica) en las zonas de la caldera que presentan tensiones mecánicas.

La disociación del carbonato sódico por el calor origina sosa cáustica

(naOH), que queda en el agua, y ácido carbónico, que pasa al vapor y al condensado, haciéndolos corrosivos.