• Author / Uploaded
• Alex Juarez Castillo

• Categories
• Hogar
• Caldera
• Intercambiador de calor
• Calor
• Agua

Citation preview

CALDERAS Caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. Una caldera es un dispositivo cuya función principal es calentar agua. Cuando supera la temperatura de ebullición, genera vapor. El vapor es generado por la absorción de calor producido de la combustión del combustible. La caldera se encarga de absorber el calor proveniente de las áreas del economizador, el horno, el supercalentador y el vapor recalentado. Las calderas pueden ser eléctricas, a gasóleo o combustible diésel, a gas natural, gas butano, etcétera. Las calderas pequeñas, exclusivamente para agua caliente sanitaria, se suelen conocer como calentadores (ej. para emplear en la ducha, en el fregadero de la cocina, etc.).

En el caso de LOPU:

Partes previas a la caldera Ablandador: Un ablandador de agua es una unidad que se utiliza para ablandar el agua, eliminando los minerales que hacen a dicha agua ser dura.

Tanque de almacenamiento de agua Es donde se deposita el agua ya tratada lista para ser utilizada a la caldera.

PARTES QUE CONFORMAN UNA CALDERA ALIMENTADORES Casi cualquier carbón mineral puede quemarse con éxito en algún tipo de alimentador; Además, los materiales de desecho y subproductos, como el coque desmenuzado, los desechos de madera, la corteza, los residuos agrícolas como el bagazo y los desechos municipales que pueden quemarse como combustible básico o como auxiliar. En el caso de LOPU es Diesel D2

QUEMADORES El propósito principal de un quemador es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire de tal manera que se asegure el encendido rápido y la combustión completa. En los quemadores de carbón pulverizado, una parte del 15 al 25% del aire, llamada aire primario, se mezcla inicialmente con el combustible para obtener un encendido rápido y actuar como un medio de transporte del combustible. La porción restante o aire secundario se introduce a través de registros en la caja de viento. El quemador de tipo circular esta diseñado para quemar carbón mineral y puede equiparse para quemar

cualquier

combinación

de

los

tres

combustibles principales, si se toman se toman las precauciones adecuadas para evitar la formación de coque en el elemento carbón, si se esta quemando combustoleo y carbón mineral. Este diseño tiene una capacidad hasta de 165 millones de Btu/h para el carbón, y más elevada para combustoleo o gas.

HOGARES Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza. Los hogares enfriados por agua se utilizan con la mayor parte de unidades de calderas, es decir en su gran mayoría, y para todos los tipos de combustible y métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y, en consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que satisfaga los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación. Las construcciones de

tubos enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar y optimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisoras, para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de combustión. El uso de hogares con enfriamiento por agua reduce las perdidas de calor al exterior. Intercambiador de calor Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. Tablero de control de temperaturas: Desde

aquí

se

monitorean

todas

las

temperaturas y presiones que se levan a cabo en el proceso

Llave donde sale el vapor

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Se clasifican según los siguientes criterios  El Material  Presión de trabajo  Generación  Circulación de agua  Movilidad  Zona de Tubos Según el Material  Hierro Fundido  Acero Según la Presión de Trabajo  Baja presión (0 a 2,5 kg/cm2)  Media Presión (2,5 a 10 kg/cm2)  Alta presión (10 a 220kg/cm2)  Críticas (superior a 220 kg/cm2) Según la Generación  Agua Caliente  Vapor Saturado  Agua recalentado Según la circulación del agua  Circulación Natural  Circulación Forzada Según su movilidad  Calderas Fijas  Calderas Móviles Según Zona de Tubos  Calderas Pirotubulares

 Calderas Acuotubulares Pirotubulares  Calderas Igneotubulares  Tubos de Humo  Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua. Pirotubulares Ventajas:  Su costo es menor  Mayor flexibilidad de operación  menos exigencias de pureza en el agua de alimentación. Inconvenientes:  Mayor tamaño y peso.  Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.  No son usados en altas presiones Caldera Pirotubulares

Acuotubulares  Tubos de Agua  Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión rodean tubos por cuyo interior circula agua. Ventajas:  Pueden ser puestas en marcha rápidamente.

 Son pequeñas y eficientes.  Trabajan a mas 30 Atm Inconvenientes:  Mayor costo  Debe ser alimentadas con agua de gran pureza. Caldera Acuotubulares

Riesgos de Caldera  Aumento súbito de la presión  Descenso rápido de la presión  Descenso excesivo del nivel de agua Equipos de protección Personal:  Casco  Zapato de seguridad  Protector auditivo  Guante  Ropa liviana ******* 0 ********

CALDERAS OBJETIVOS  Conocer el funcionamiento y arranque de una caldera y sus accesorios.  Determinar experimentalmente la variación del Coeficiente total de transferencia de calor en un intercambiador de calor.  Conocer los distintos intercambiadores de calor y su modo de transferencia.  Conocer el funcionamiento correcto del intercambiador de calor del Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios (LOPU). CALDERAS.- El término caldera se aplica a un dispositivo para generar vapor en procesos industriales o calefacción. La capacidad de producción de calor (la cantidad de vapor o agua caliente por hora), depende de los siguientes factores: 1. El grado de combustión en el fogón. 2. La extensión de la superficie de calefacción. 3. La proporción en la que se distribuye la superficie en áreas de calefacción primarias (calor radiante) y secundarias (calefacción por convección). 4. La circulación del vapor o del agua y los gases de combustión. Clasificación de caldera.- las calderas se clasifican basándose en algunas de las características siguientes: (1) Uso, (2) presión, (3) materiales de que están construidas, (4) tamaño, (5) contenido de los tubos, (6) forma y posición de los tubos, (7) sistema del fogón, (8) fuente de calor, (9) clase de combustible, (10 fluido utilizado, (11) sistema de circulación, (12) posición del hogar, (13) tipo del fogón, (14) forma general, (15) nombre registrado el fabricante y (16) propiedades especiales. 1)1) Calderas de tubos de humos: Llamadas también tubulares, en las que el hogar está fuera de la caldera; para los humos pasas por el interior de tubos cilíndricos rodeados de agua.

2) Calderas de Tubos de agua: denominados también acuotubulares, multitubulares o de elementos múltiples en los que el agua está en el interior de los tubos, siendo estos rodeados por los humos. Partes de una caldera: 1.

Caldera

2.

Fogón

3.

Equipo para quemar el combustible

4.

Recolección y transporte de cenizas

5.

Separados de vapor

6.

Agua de alimentación

7.

Sistema de purga

8.

Suministro de aire para la combustión

9.

Remoción de los productos de la combustión

10.

Cimentación y soportes

11.

Refractarios y mamparas

12.

Precalentamiento de aire y del agua

13.

Accesorios de la caldera

******** 0 ********

ARRANQUE DE CALDERA I. OBJETIVOS: 

Conocer el funcionamiento y arranque de una caldera y sus accesorios.



Determinar experimentalmente la variación del Coeficiente total de transferencia de calor en un intercambiador de calor.



Conocer los distintos intercambiadores de calor y su modo de transferencia.



Conocer el funcionamiento correcto del intercambiador de calor del Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios (LOPU).

II. FUNDAMENTO TEÓRICO: CALDERAS El término caldera se aplica a un dispositivo para generar vapor en procesos industriales o calefacción. Por razones de sencillez de comprensión, a la caldera se le considera como un productor de vapor en términos generales, sin embargo muchas calderas diseñadas para vapor pueden convertirse en calentadores de agua. Son diseñadas para transmitir calor de una fuente externa (generalmente combustión de algún combustible), a un fluido contenido dentro de la misma caldera. La capacidad de producción de calor (la cantidad de vapor o agua caliente por hora), depende de los siguientes factores: 1. El grado de combustión en el fogón. 2. La extensión de la superficie de calefacción. 3. La proporción en la que se distribuye la superficie en áreas de calefacción primarias (calor radiante) y secundarias (calefacción por convección). 4. La circulación del vapor o del agua y los gases de combustión.

Clasificación de caldera las calderas se clasifican basándose en algunas de las características siguientes: (1) Uso, (2) presión, (3) materiales de que están construidas, (4) tamaño, (5) contenido de los tubos, (6) forma y posición de los tubos, (7) sistema del fogón, (8) fuente de calor, (9) clase de combustible, (10 fluido utilizado, (11) sistema de circulación, (12) posición del hogar, (13) tipo del fogón, (14) forma general, (15) nombre registrado el fabricante y (16) propiedades especiales. Existe gran variedad de calderas debido en gran parte a los muy diversos usos a que pueden destinarse. Efectivamente una caldera puede estar destinada a la producción de vapor para fuerza motriz, o bien para la calefacción doméstica o para calefacción de una torre de destilación fraccionada, a su vez una caldera que produzca vapor motriz puede ser fija, locomovil, marina, etc. 1) Calderas de tubos de humos: Llamadas también tubulares, en las que el hogar está fuera de la caldera; para los humos pasas por el interior de tubos cilíndricos rodeados de agua. 2) Calderas de Tubos de agua: denominados también acuotubulares, multitubulares o de elementos múltiples en los que el agua está en el interior de los tubos, siendo estos rodeados por los humos. Partes de una caldera: 1. Caldera 2. Fogón 3. Equipo para quemar el combustible 4. Recolección y transporte de cenizas 5. Separados de vapor 6. Agua de alimentación 7. Sistema de purga 8. Suministro de aire para la combustión 9. Remoción de los productos de la combustión 10. Cimentación y soportes

11. Refractarios y mamparas 12. Precalentamiento de aire y del agua 13. Accesorios de la caldera

Caldera acutubular

**** 0 *****

ARRANQUE DE CALDERA DE UNA PLANTA TERMOELÉCTRICA INTRODUCCIÓN El proceso de calentamiento, de un generador de vapor en una planta termoeléctrica, es fundamentalmente un problema de control; éste se soluciona frecuentemente mediante operación manual, que depende de la experiencia del operador. El principal problema técnico que se presenta, en la automatización del arranque de una unidad termoeléctrica, es la presencia de un retardo significativo en la respuesta, así como la de comportamientos no lineales; esto puede causar inestabilidad y dificultades para mantener el gradiente de temperatura del agua. FUNDAMENTO TEORICO Durante el proceso del arranque, el operador no debe exceder ciertos límites del gradiente de temperatura en los tubos bajantes [Las acciones de control, que el operador puede usar para regular el calentamiento del generador de vapor, son: el flujo de combustible y la posisión de la válvula del dren de vapor localizado a lo largo de las tuberías de vapor. Por cuestiones de operación, se requiere que la válvula del dren sea manejada con reserva. Antes de poder ser utilizada como acción de control está sujeta a un programa de cierre gradual; por lo que es recomendable que su posición se efectúe con ciertas restricciones. Adicionalmente,existen restricciones en otra etapa de calentamiento y presurización del generador de vapor las cuales no son aplicables a la temperatura en los tubos bajantes, sino que están relacionadas con la diferencia entre la temperatura de vapor principal y la temperatura de saturación en el domo, la cual es llamada temperatura de sobrecalentamiento. El control de sobrecalentamiento se lleva a cabo de la misma forma previa disminución del valor de la referencia del gradiente hasta un nivel tal que, por experiencia,

se

sabe

que

esta

dentro

de

los

límites

de

diseño.

Despues de cierto tiempo de calentamiento, tenemos valores positivos en la presión de vapor principal. Ésta es otra variable a considerar. Esta variable es afectada por la posición de la válvula del dren así como por el uso del vapor en el calentamiento de las tuberías de vapor y los metales de la turbina. CALDERAS DE CALEFACCIÓN Las calderas de calefacción son generadores de agua caliente en un circuito cerrado. Dicho circuito es el que se encarga de llevar el agua caliente hasta los radiadores

Calderas atmosféricas. Son las de funcionamiento mas simple y también más antiguo. La caldera toma el aire de la habitación para realizar la combustión. No esta permitido su instalación ni en baños ni habitaciones dormitorio. La caldera atmosférica además solo se puede instalar si se garantiza que el tiro en vertical de la salida de humos es suficientemente alta para que los humos salgan con facilidad, sin entretenerse. Las calderas atmosféricas se ven influenciadas por las condiciones atmosféricas: viento, lluvia. Calderas estancas. Están dotadas de un tubo de salida de gases concéntrico, lo que permite aspirar el aire del exterior y expulsar los humos por el mismo tubo de salida de gases. Gracias a esta disposición la caldera estanca es mucho más segura, permitiendo ser instalada en cualquier habitación, aunque sea dormitorio. Para la evacuación de gases dispone de un extractor que obliga

a estos a salir al exterior. En las calderas estancas, las condiciones atmosféricas como el viento o la lluvia, prácticamente no afectan el correcto funcionamiento. Calderas simples. Son las calderas que solamente alimentan un circuito de calefacción. Aunque en su circuito también pueden montarse depósitos de acumulación para obtención de agua caliente sanitaria. Calderas mixtas. Son las calderas que ya vienen preparadas con dos circuitos,

uno

para

calefacción

y

otro

para

agua

caliente

sanitaria

Existen también dos tipos de calderas que vienen a mejorar su funcionamiento en relación con la producción de agua caliente sanitaria. Son las calderas con microacumulación

y

las

calderas

con

acumulación.

Calderas con microacumulación. Consiguen que el agua que sale de la caldera siempre salga caliente, evitando los cambios bruscos de temperatura al arrancar. Para ello disponen de un pequeño depósito de agua de unos pocos litros que mantiene siempre el agua caliente. Durante los primeros segundos de funcionamiento de la caldera el agua tendría que salir fría pero al pasar a través del pequeño deposito se mezcla con el agua allí existente y así se logra que siempre salga caliente. Su gran ventaja es para usos discontinuos como sería la cocina o la ducha, donde nos conviene que siempre salga agua caliente al abrir y cerrar repetidamente el grifo.  Calderas

con

acumulación.

Son

calderas

convencionales a las cuales se les ha acoplado un depósito acumulador de agua de 40 a 60 litros que se mantiene siempre caliente. Al abrir el grifo el agua sale del acumulador, con lo que siempre saldrá caliente y con caudales puntuales importantes. Son las calderas más adecuadas para viviendas con varios cuartos de baño y que se requiere un caudal de agua puntual muy importante.

 El procedimiento de arranque recomendado es el siguiente: los estudiantes deben utilizar lentes de protección, casco, guantes térmicos y botas al momento de utilizar la caldera.  Verificar que exista suficiente combustible para realizar las prácticas. El nivel promedio recomendado es de 50 galones de combustible. El

agua

de

alimentación

debe

ser

tratada

químicamente.

Para ello, deben abrirse las válvulas que alimentan al suavizador, y se debe cerrar la válvula de bypass del mismo. Una vez que el agua de alimentación ha empezado a circular por el suavizador, se arrancan los tres interruptores de la izquierda de la caja de control. Estos interruptores alimentan eléctricamente a la caldera Ya con corriente eléctrica circulante, se conecta el interruptor de operación automática. Este sistema de operación permite que el cerebro electrónico de la caldera realice todas las operaciones necesarias para la protección del equipo, PERO NO IMPLICA QUE LOS OPERADORES SE DESENTIENDAN DE LA CALDERA. Previo al arranque definitivo del equipo, se debe abrir la válvula de purga de aire. La finalidad de esta válvula es eliminar la mayor cantidad de aire que pudiese estar dentro de la caldera, a fin de optimizar la cantidad de vapor generada. NOTA: CUANDO LA CALDERA YA ESTA OPERANDO, ESTA VALVULA DEBE CERRARSE AL MOMENTO EN QUE EMPIEZA A SALIR VAPOR POR ELLA. Ahora debe revisarse el nivel de agua. ESTE NO DEBE SER SUPERIOR AL QUE SE INDICA EN LA FOTOGRAFIA. En caso contrario, la caldera está programada para no arrancar. En caso de que el nivel de agua sea muy alto, debe abrise la válvula principal de purga (mostrada en esta fotografía).

 Una vez que la válvula principal de purga está abierta, se abren las válvulas auxiliares, las cuales dejan salir agua de cada uno de los dos compartimientos principales de la caldera. NOTA: estas dos válvulas deben abrirse totalmente durante unos cuantos segundos para que la purga sea óptima. Otro paso muy importante de seguridad es revisar que los medidores de nivel de agua estén activados y "reseteados" a su valor original. Para verificar esto, se presiona el botón que cada uno de ellos tiene en su parte posterior (mostrado en la fotografía). SOLAMENTE CUANDO TODOS LOS PASOS ANTERIORES SE HAN SEGUIDO CUIDADOSAMENTE SE ARRANCA LA CALDERA CON EL INTERRUPTOR MOSTRADO EN LA FIGURA. A partir de este momento, la operación de la caldera será controlada automáticamente por el cerebro electrónico de la misma. NOTA: ESTO NO IMPLICA QUE LOS OPERADORES NO ATIENDAN LA OPERACION DEL EQUIPO. Finalmente, cuando la caldera ha alcanzado su presión de operación (125 psia), lo cual se detecta cuando cesa la combustión, se abre lentamente la válvula principal del equipo para alimentar las unidades que operarán. Para apagar la caldera, se deben seguir los siguientes pasos: Apagar el interruptor principal (debe esperarse a que la caldera no esté en proceso de combustión)..- Abrir la llave de purga de las líneas de vapor, y esperar hasta que

todo

el

vapor

haya

sido

eliminado

de

las

mismas.

Cerrar la llave principal de vapor de la caldera. Poner el interruptor de operación en "Manual". Cerrar los interruptores del tablero eléctrico principal. *** 0 ****

ARRANQUE DE CALDERA E INTERCAMBIADOR DE CALOR CALDERA Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado liquido, se calienta y cambia de estado. También podemos decir: Caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. Las calderas son un caso particular de intercambiadores de calor , en las cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión , por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Partes integrantes de una caldera : Hogar: sección que se encuentra en contacto directo con la flama . Quemadores: dispositivos en donde se lleva acabo la combustión. Tubos pantallas y sobrecalentador, atemperador y banco generador.

Los problemas más frecuentes encontrados en las calderas son: Pueden dividirse en dos grandes grupos: Problemas de corrosión Problemas de incrustación CORROSION

La corrosión es uno de los principales problemas que presentan las calderas al no ser tratadas las aguas que estas contienen . La corrosión es generada por el ingreso dentro de la caldera de anhídrido carbónico, oxígeno, materias orgánicas, ácidos orgánicos y ácidos inorgánicos en algunos casos. Incrustaciones Estas se forman debido a la presencia de todo aquello que signifique dureza, como por ejemplo carbonatos , sulfatos y cloruros, tanto de calcio como magnesio . Al producirse la evaporación los vapores salen limpios y con muy poco arrastres , pero todas las durezas sólidas y demás impurezas se encuentran dentro del caldero y si estas no son tratadas adecuadamente, se adhieren a toda la superficie de calentamiento del caldero en forma especial en las zonas donde hay un mayor recalentamiento.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para aplicaciones como: Esterilización: es común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos , también en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos. Calentar otros fluidos: por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. Generar electricidad a través de un ciclo Rankine: Las calderas son parte fundamental de las centrales

termoeléctricas.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado. Tipos de calderas Podemos encontrar las siguientes:



Calderas de Gran Volumen de Agua.



Caldera de Mediano Volumen de Agua (Ignitubulares).



Calderas de Pequeño Volumen de Agua (Acuotubulares)



Calderas Pirotubulares.

Calderas de Gran Volumen de Agua. CALDERAS SENCILLAS Estas calderas se componen de un cilindro de planchas de acero con fondos combados. En la parte central superior se instala una cúpula cilíndrica llamada domo, donde se encuentra el vapor más seco de la caldera, que se conduce por cañerías a las máquinas. Las planchas de la caldera, así como los fondos y el domo se unen por remachadura. Esta caldera se monta en una mampostería de anillos refractarios, y allí se instalan el fogón carnicero y conducto de humo. En el hogar, situado en la parte inferior de la caldera, se encuentran las parrillas de fierro fundido y al fondo un muro de ladrillos refractarios, llamado altar, el cual impide que se caiga el carbón y eleva las llamas acercándolas a la caldera.

CALDERAS CON HERVIDORES Estas calderas surgieron bajo la necesidad de producir mayor cantidad de vapor. Los hervidores son unos tubos que se montan bajo el cuerpo cilíndrico principal, de unos 12m de largo por 1.50m de diámetro; estos hervidores están unidos a este cilindro por medio de varios tubos adecuados. Las ventajas de estas calderas, a comparación de las otras, es por la mayor superficie de calefacción o de caldeo, sin aumento de volumen de agua, lo que aumenta la producción de vapor. CALDERAS DE HOGAR INTERIOR En este tipo de calderas con tubos hogares "cornualles", están formadas por un cuerpo cilíndrico principal de fondos planos o convexos, conteniendo en su interior uno o dos grandes tubos sumergidos en agua, en cuya parte anterior se instala el hogar. El montaje se hace en mampostería, sobre soportes de fierro fundido, dejando un canal para que los humos calienten a la caldera por el interior en su recorrido hacia atrás, donde se conducen por otro canal a la chimenea. Caldera de Mediano Volumen de Agua (Ignitubulares). CALDERA SEMITUBULAR. Esta caldera se compone de un cilindro mayor de fondos planos, que lleva a lo largo un haz de tubos de 3" a 4" de diámetro. Los tubos se colocan expandidos en los fondos de la caldera, mediante herramientas especiales; se sitúan diagonalmente para facilitar su limpieza interior. Más arriba de los tubos se colocan algunos pernos o tirantes para impedir la deformación y ruptura de los fondos, por las continuas deformaciones debido a presión del vapor. Para la instalación de la caldera se hace una base firme de concreto, de acuerdo al peso de ella y el agua que contiene. Sobre la base se coloca la mampostería de ladrillos refractarios ubicados convenientemente el hogar y

conductos de humos. La caldera misma se mantiene suspendida en marcos de fierro T, o bien se monta sobre soporte de fierro fundido. Estas calderas tienen mayor superficie de calefacción. CALDERA LOCOMOTORA. Esta caldera se compone de su hogar rectangular, llamada caja de fuego, seguido de un haz tubular que termina en la caja de humo. El nivel del agua queda sobre el ciclo del hogar, de tal manera que éste y los tubos quedan siempre bañados de agua. Para evitar las deformaciones de las paredes planas del hogar, se dispone de una serie de estayes y tirantes, que se colocan atornillados y remachados o soldados a ambas planchas. Todas las calderas locomotoras se hacen de chimenea muy corta, las que producen pequeños tirajes naturales. LOCOMÓVILES. Este nombre lo recibe el conjunto de caldera y máquina a vapor que se emplea frecuentemente en faenas agrícolas. La caldera puede ser de hogar rectangular, como la locomotora, o cilíndrico. La máquina se monta sobre la caldera, y puede ser de uno o dos cilindros. Todo el conjunto se monta sobre ruedas y mazos para el traslado a tiro. CALDERAS DE GALLOWAY. Reciben este nombre las calderas de uno o dos tubos hogares, como la Cornualles, provistas de tubos Galloway. Estos tubos son cónicos y se colocan inclinados en distintos sentidos, de tal manera que atraviesan el tubo hogar. Los tubos Galloway reciben el calor de los gases por su superficie exterior, aumentando la superficie total de calefacción de la caldera. CALDERAS MARINAS.

Los buques a vapor emplean calderas de tubos de humo y de tubos de agua. Entre las primeras se emplean frecuentemente las llamadas "calderas de llama de retorno" o "calderas suecas". Estas calderas constan de un cilindro exterior de 2 a 4.1/2 m de diámetro y de una longitud igual o ligeramente menor. En la parte inferior van 2 o 3 y hasta 4 tubos hogares, que terminan en la caja de fuego, rodeado totalmente de agua. Los gases de la combustión se juntan en la caja de fuego, donde terminan de arder y retoman, hacia atrás por los tubos de humo, situados más arriba de los hogares. Finalmente los gases quemados pasan a la caja de humo y se dirigen a la chimenea. SEMIFIJAS. Se compone de un cilindro mayor, donde se introduce el conjunto de hogar cilíndrico y haz de tubos, apernado y empaquetados en los fondos planos del cilindro exterior. El hogar y el haz de tubos quedan descentrados hacia abajo, para dejar mayor volumen a la cámara de vapor. El emparrillado descansa al fondo en un soporte angular, llamado "puente de fuego" y tiene también varios soportes transversales ajustables. El hogar se cierra por el frente por una placa de fundición. El vapor sale por el domo de la caldera, pasa por el serpentín recalentador, se recalienta y sigue a la máquina. CALDERAS COMBINADAS. Las construidas con más frecuencia son las calderas de hogar interior y semitubular. En la parte inferior hay una caldera Cortnualles de 2 o 3 tubos hogares o una Galloway, combinada con una semitubular que se sitúa más arriba. Ambas calderas tienen unidas sus cámaras de agua y de vapor, por tubos verticales. Los hogares se encuentran en la caldera inferior. Los gases quemados se dirigen hacia adelante, suben y atraviesan los tubos de la caldera superior, rodean después a esta caldera por la parte exterior, bajan y rodean a la inferior, pasando finalmente a la chimenea. Calderas de Pequeño Volumen de Agua (Acuotubulares)

Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

VENTAJAS: • La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi. • Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP. • La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad. • El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos. • Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática. • Son utilizados quemadores ecológicos para combustible, gas y diesel. • Sistemas de modulación automática para control de admisión airecombustible a presión. • El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento.

El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%. CALDERA BABCOCK - WILCOX. Compuesta de 1 hasta 3 colectores superiores de agua y vapor, unidos al haz de tubos rectos inclinados por ambos extremos y el colector inferior de impurezas. El hogar es una de parrilla mecánica, utiliza como combustible hulla, la cual es depositada en la tolva avanzando al interior del hogar. Una vez penetrado al hogar, se destila quemándose los gases con llama larga; el coke que resulta se sigue quemando, hasta quedar solo ceniza y escoria. Los gases calientan 1ero la parte superior del haz tubular, el recalentador del vapor, para continuar hasta dirigirse a la chimenea. CALDERAS STIRLING. Consta de 3 colectores superiores paralelos entre sí, con sus cámaras de vapor interconectadas por tubos de acero. Las cámaras de agua de los 2 primeros colectores están comunicadas. Los colectores superiores están conectados al inferior mediante 3 haces de tubos delgados, expuestos al calor del hogar y de los gases producto de la combustión. Consumen hulla u otro combustible sólido, líquidos o gaseosos. Los gases siguen el recorrido calentando sucesivamente los haces tubulares, pasando finalmente a la chimenea. CALDERA BORSIG. Compuesta de un colector superior de agua y vapor, unido al inferior de agua e impurezas por un haz de tubos verticales curvados en sus extremos, de tal manera que penetren radialmente en las paredes de los colectores. En un extremo superior se encuentra el recalentador de vapor. Tiene dos clases de tubos: •

De descenso del agua (90-12 mm. diámetro).

•

De vaporización (53,5-60 mm. diámetro).

El agua de alimentación es inyectada en forma directa a los tubos de descenso. El agua más caliente sube por los tubos de vaporización al colector superior, de donde se extrae el vapor. CALDERA YARROW Y THORNYCROFT. Empleadas en buques de vapor. Compuestas ambas de un colector superior y de dos inferiores, unidos por dos haces de tubos. La caldera Yarrow tiene los colectores inferiores achatados para así facilitar la expandidura de los tubos. La Thornycroft tiene tubos curvos, que entran radialmente a los colectores, aumentando también su longitud y superficie y superficie de calefacción de la caldera. Pueden quemar hulla o petróleo. CON TUBOS DE HUMO Y DE AGUA. Están compuestas de un cilindro mayor con un hogar cilíndrico y tubos de humo, de agua o de ambos a la vez. El hogar es interior y queda rodeado de una parte de la cámara de agua. Los gases ascienden verticalmente a lo largo de los tubos de humo o rodean los tubos de agua, entregándoles la mayor parte de su calor. Son montados sobre una base de concreto y ladrillos refractarios. Son empleados en la pequeña industria. Padecen en general de algunos defectos, tales como: •

Rendimiento bajo por combustión deficiente y escape caliente de humos.

•

Destrucción rápida de los tubos al nivel del agua por el recalentamiento de

•

ellos.

Son peligrosas en caso de explosión.

Como cualidades positivas presentan: •

Son de fácil construcción.

•

Ocupan reducido espacio y son fáciles de ubicar.

Pirotubulares. La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características: •

El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.

•

La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.

•

El acceso al los gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.

¿QUÉ ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR? Es un dispositivo que efectúa la transferencia de calor de un fluido a otro. En tal sistema, ambos fluidos alcanzaran la temperatura final, y la cantidad de calor transferida puede calcularse igualando la energia perdida por el fluido mas caliente con la energia ganada por el fluido mas frio.

Diseño de un intercambiador de calor El diseño completo de un intercambiador de calor, puede descomponerse en tres fases:  El análisis térmico  El análisis mecánico preliminar  El diseño para su construcción

DOBLE TUBO Es el intercambiador más sencillo, por el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasifica en Flujo paralelo y Flujo contracorriente,

CARCAZA Y TUBO: Es el iintercambiador más ampliamente

usado en la industria. En este

intercambiador un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es forzado a través través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Para asegurar que el fluido por el lado de la carcaza fluya los

tubos

e

induzca una mayor

a través de

transferencia de calor, se colocan,

rreflectores ó placas verticales. Es corriente encontrar intercambiadores de calor de 2,4,8,etc. pasos de tubos. De la misma manera existe la posibilidad que exista varios pasos de carcaza.

FLUJO CRUZADO Alternativamente los fluidos pueden moverse en flujo cruzado (perpendicular uno al otro), tal como se señala en la figura 4.3. Los intercambiadores en flujo cruzado se utilizan comúnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la Figura 4.3 se señala a dos tipos de intercambiadores de calor de flujo cruzado. Las dos configuraciones difieren de acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos esta mezclado o sin mezclar. Un fluido se dice que esta sin mezclar debido a que las aletas previenen el movimiento en la dirección (y) que es la dirección transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido varia con x y con y.

COMPACTO Intercambiadores As /V

mayores

de calor con relación área superficial/volumen,

b =

que Que 700 m2 /m3 se denominan intercambiadores

a su pequeño tamaño y peso, los intercambiadores intercambiadores de calor compactos prevalecen en la industria automotriz, industria aéreo espacial

y en sistemas marinos. Un espectro de intercambiares de calor basado en el parámetro b es mostrado en la Figura 4.5

Placas

CIRCULAR

PLACAS

FALLAS EN CALDEROS En toda planta o industria que consuma vapor de agua, existe la presencia de un caldero. Y al existir un caldero, siempre hay las posibilidades de fallas y existen fallas típicas que ocurren en estos. FALLAS EN EL ARRANQUE Características: El quemador y el ventilador no arrancan . Posibles causas: •

Bajo nivel de agua

•

Falla del sistema de energía eléctrica

•

Control de operación o controles de carácter limite defectuosos o descalibrados

•

Control principal de combustión apagado o defectuoso

•

Fusibles defectuosos en el gabinete de la caldera

•

Térmicos del motor del ventilador o del motor del compresor que saltan

•

Contactos o arrancadores eléctricos defectuosos

•

Motores del compresor y/o ventilador defectuosos

•

Mecanismos de modulación de fuego alto y bajo no se encuentran en la posición adecuado de bajo fuego y fallo en el fluido eléctrico.

Fallas en el encendido Características: Ventilador y Quemador arrancan pero no hay llama principal a. No hay ignición Posible causa: •

Falla de chispa

•

Hay chispa pero no

•

Válvula solenoide a gas defectuosa

•

Interruptor bajo fuego abierto.

hay llama piloto

b. Hay llama piloto, pero no hay llama principal Posibles causas: •

Llama piloto inadecuada

•

Falla en el sistema de detección de llama

•

Falla en el suministro principal de combustible

c. Hay llama de bajo fuego, pero no de alto fuego. Posibles causas: •

Baja temperatura de combustible

•

Presión inadecuadas de la bomba

d. Falla de llama principal durante el arranque Posibles causas: •

Ajuste defectuoso de aire combustible

•

Control de combustión o programador defectuoso.

e. Falla de llama durante la operación Posibles causas: •

Combustible pobre e inadecuado

•

Interruptor automático no funciona correctamente

•

Motores ocasionan sobrecargas

•

Control de combustión o programador defectuosos

•

Calibración de quemador incorrecta

•

Dispositivos de interconexión defectuosos o ineficaces

•

Condiciones de bajo nivel de agua

•

Falla en el suministro de energía eléctrica

•

Fallas en proporción aire combustible

Fallas en los materiales a. Por corrosión Proceso de acción erosiva ejercida sobre la superficie interna de la caldera por la acción mecánica de materiales sólidos, abrasivos, transportados por el agua (es necesario utilizar agua tratada) o los gases en circulación. La corrosión también se presenta por oxidación. Se da por el ingreso de Anhídrido carbónico, oxígeno, materiales orgánicos, ácidos orgánicos y ácidos inorgánicos en algunos casos. La corrosión también se presenta por oxidación.

b. Por Sobrecalentamiento Cuando los materiales de fabricación de la caldera son expuestos a altas temperaturas se presentan fallas de diferentes tipos dependiendo de las causas que la generan. Son formadas principalmente por las incrustaciones que se forman debido a todo lo que es la dureza (del agua) en sus diferentes formas, por carbonatos, sulfatos, cloruros, calcio y magnesio. Se adhieren en la superficie del caldero en forma especial en zonas donde hay un mayor recalentamiento. c. Soldadura y construcción El conjunto de partes soldadas no debe ser poroso ni tener inclusiones no metálicas significativas, debe formar contornos superficiales que fluyan

suavemente con la sección que se está uniendo y no tener esfuerzos residuales significativos por el proceso de soldadura.

d. Implosión y explosión Las explosiones en calderas suelen ocurrir cuando la presión a la que esta operando la caldera supera la presión para la cual fue diseñada. Generalmente esto ocurre cuando algunos de los sistemas de alarma o control están descalibrados, dañados o no funcionan. Las implosiones en calderas ocurren generalmente cuando el flujo de agua de entrada para producir vapor no ingresa al equipo, ocasionando un sobrecalentamiento excesivo y el colapso del material.

RECOMENDACIONES PARA INTERCAMBIADOR DE CALOR Y CALDERA •

Antes de abrir la válvula de alimentación para llenar la caldera, se abrirá la válvula de alimentación a fin de permitir el escape de aire, mientras se va llenando la caldera.

•

El calentamiento de la caldera deberá comenzarse lentamente y no se deberá forzar, para un calentamiento uniforme de todos los elementos y evita esfuerzos debido a la expansión.

•

Lo reguladores de tiro de entrada y salida deberán abrirse antes de encendido.

•

Cuando se usa petróleo como combustible en la caldera, los reguladores de tiro de salida deberán abrirse lo suficiente para producir una ligera corriente de aire y evitar retrocesos de llamas.

•

Se deberá encender primero el quemador central

•

Cuando la caldera se calienta, verificar el nivel de agua con los grifos de prueba, las válvulas de ventilación se deben cerrar después que el vapor a escapado durante algunos minutos.

•

La presión de vapor se deberá elevar lentamente.

•

No deja entrar vapor en las tuberías y en las conexiones frías y si es así abrir las válvulas lentamente hasta que los elementos se calienten.

•

Cuando la presión de vapor en la caldera es cercana a la presión de trabajo, la válvula de seguridad se debe probar a mano.

•

Cuando el nivel de agua esta bajo y se a verificado con los grifos de prueba, cerrar las compuertas de los reguladores de tiro y control de aire para reducir con seguridad la presión de la caldera.

•

Cuando haya suficiente agua en las calderas, la salida del desagüe del fondo deberla cubrirse varias veces por un momento, alternando con la alimentación de agua fresca.

•

Durante la evacuación del agua de la caldera, se abre el grifo de apertura rápida y sólo cerrar después de que la válvula de desagüe haya sido cerrada.

•

Para el apagado de la caldera la presión de la caldera se reducirá, para esto las válvulas de alimentación se deberán cerrar gradualmente hasta que la caldera quede fuera de servicio.

•

Controlar que el flujo de vapor que proviene de la caldera no tenga una presión muy alta, si es así utilizar la válvula reductora de presión, ya que si la presión es muy alta hace que la temperatura se eleve rápidamente en el intercambiador de calor.

•

Regular el caudal del agua y el de vapor de agua que ingresa a un intercambiador.