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• Aldo Celaya Tonchez

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Calderas Una caldera es un recipiente cerrado a presión en el que se calienta un fluido para utilizarlo por aplicación directa del calor resultante de la combustión de una materia combustible (sólida, liquida o gaseosa) o por utilización de energía eléctrica o nuclear. Además se puede decir que una caldera de vapor, es un recipiente cerrado en el cual se genera vapor de agua o de otro fluido para su uso externo. Una caldera es un aparato de transferencia térmica que convierte un combustible (Fósil, bagazo, gas, eléctrica o nuclear) a través de un medio de trabajo. El flujo de calor puede tener lugar de tres modos en el interior de una caldera. Conducción: Es la transferencia de calor de una parte del material a otra o a un material con el que está en contacto. El calor se extiende como una actividad molecular, como la vibración de las moléculas de un material. Cuando se calienta esta parte, la vibración molecular aumenta. En las calderas tiene lugar una considerable conductividad superficial. Ejemplo: el agua de un tubo o entre un Gas de un tubo. Convección: Es la transferencia de calor o desde un fluido (líquido o Gas) fluyendo hacia o sobre la superficie de un cuerpo. Se define como libre o forzada. La convección libre ;es la que produce circulación del fluido de transferencia debido a una diferencia de densidad resultante de los cambios de temperatura. La convección forzada; tiene lugar cuando la circulación del fluido es positiva por algún medio mecánico significativo, como una bomba de agua o un ventilador para los gases. Radiación: Es una forma continua de intercambio de energía por medio de ondas electromagnéticas sin cambio en la temperatura del medio interpuesto los dos cuerpos. La radiación está presente en todas las calderas. De hecho, las calderas utilizan los tres modos de transferencia térmica: conducción, convección y radiación. Una caldera de alta presión es aquella que genera vapor a una presión mayor de 15 psi (1,05 kg/cm2) manométricos (1,05 atmósferas efectivas o manométricas). Por debajo de esta presión se clasifican como calderas de vapor de baja presión. Una caldera de baja presión se define como una caldera de vapor que trabaja por debajo de 15 psi (1,05 kg/cm2) de presión o una de agua caliente que funciona por debajo de 160 psi (11 kg/ cm2) o 250 °F (121 °C). Una caldera de calefacción: por agua caliente es una caldera que no genera vapor, pero en la cual el agua caliente circula con propósitos de calefacción y después retorna a la caldera y que trabaja a presiones que no exceden de 160 psi (11,2 kg/cm2) o de una temperatura de agua no mayor de 250 °F (121 °C) en o cerca de la salida de caldera.

Una caldera de suministro de agua caliente o, más brevemente dicho, una caldera de agua caliente, está completamente llena de agua y suministra agua caliente para usarse en el exterior de ella (sin retorno) a una presión que no excede de 160 psi (11,2 kg/ cm2) efectivos o a una temperatura de agua que no pase de 250 °F (121 °C). Una caldera compacta es una caldera completamente montada en fábrica, de tubos de agua, de tubos de humos o de fundición, e incluye quemador, controles y elementos de seguridad. Una caldera montada en fábrica es más barata que una unidad montada en campo, de la misma capacidad de producción de vapor. Una caldera supercrítica o hipercrítica funciona por encima de la presión crítica absoluta de 3206,2 psi (224,43 kg/ cm2) y 705,4°F (374 °C) de temperatura de saturación. El vapor y el agua tienen una presión crítica de 224.43 kg/ cm2. A esta presión el vapor y el agua tienen la misma densidad, lo que significa que el vapor está comprimido tan intensamente como el agua. Las calderas de presión supercríticas son de dos tipos: de paso directo y de recirculación. Ambos tipos operan en el rango por encima de los 224,43 kg/cm2 y 374°C. En este rango las propiedades del líquido y del vapor saturado son idénticas; no hay cambio en la fase líquido-vapor por lo que no existe nivel del agua y, por lo tanto, no se precisa calderín. ¿Qué es un Ciclo Combinado? Es un ciclo de potencia que se basa en el acoplamiento de dos ciclos diferentes de producción de energía, uno de turbina de vapor y otro de turbina de gas. El calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbinas de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo del combustible. La energía obtenida en estas instalaciones puede ser utilizada, además de la generación eléctrica, para calefacción a distancia y para la obtención de vapor de proceso.

Caldera de tubos de humos Una caldera de tubos de humos o pirotubular (tubos de fuego), la que más prevalece y se utiliza para aplicaciones de calentamiento de proceso e industriales y comerciales. Sus características son: Las configuraciones de este tipo de caldera, están influidas por las necesidades de transferencia térmica. Las calderas pirotubulares tienen superficies planas que requieren arriostramientos consistentes en tirantes transversales o diagonales, por la placa plana tendría que tener un gran espesor para resistir la presión de trabajo impuesta. Las calderas pirotubulares se clasifican en tubulares horizontales (HRT) (de retorno horizontal), económicas o de tipo de caja de humos, de caja de fuego tipo locomotora, tipo marina escocesa, tubular vertical y caldera vertical sin tubos. La caldera horizontal (HRT) ahora representa solo alrededor del 5% de las calderas en servicio del total de las del tipo de tubos de humos que están operativas. La caldera pirotubular tiene los finales de los tubos expuestos a los productos de la combustión y tiene otras superficies planas que requieren arriostramientos con acero estructural para evitar un espesor de chapa excesivo. Fluxeria Los tubos en todas las calderas pirotubulares deben ser laminados y mandrilados (achanflanado) o laminados y soldados. Cuando los tubos son mandrilados o achanflanado en sus bordes extremos, es para evitar que los finales del tubo sean quemados por los gases calientes en esta zona. Si son laminados y soldados, en calderas de alta presión, tiene que estar bajo las normativas del código de ASME.

(SM) CALDERA MARINA ESCOCESA: La caldera de diseño Marina Escocesa de hogar interior, es del tipo pirotubular dominante para ambos tipos de procesos, industriales y de calefacción, hasta alrededor de 22.5 T/H de capacidad. Por encima de esta capacidad de producción generalmente se utilizan las calderas de tubos de agua. Características  de las calderas acuotubulares. Las calderas acuotubulares o tubos de agua sus características son: El agua circula por los tubos y su alrededor los gases calientes de la combustión, puede obtener mayor capacidad aumentando los el número de tubos, independientemente del diámetro del domo de vapor. El domo no está expuesto al calor radiante de la llama. La mayoría de las calderas de tubos de agua siguen los tres diseños mostrados en la figura. generalmente el de tipo D, montada en fábrica consta de dos calderines, las paredes del hogar están refrigeradas por agua en las partes frontal y trasera, y las paredes exteriores, suelo y techo están refrigeradas por tubos tangentes.

Como se observa en la figura es una caldera Acuotubular preparadas para quemar fuel-Oil, Gas, carbón pulverizado. Se observa su gran tamaño del hogar donde se realiza la combustión interna del equipo, allí los gases calientes encuentran a los tubos recalentadores de vapor, luego se dirigen al as convectivo, desembocan al calentador de aire, economizador, de allí al precipitador de partículas donde los gases finalizan su recorrido hacia la chimenea.

Los sobrecalentadores de una caldera. Cada presión de vapor saturado tiene su temperatura correspondiente. El calor añadido al vapor seco a esta presión se la conoce como sobrecalentamiento y da como resultado una mayor temperatura que la indicada en la curva para la presión correspondiente. Un domo superior o calderín, donde cumple dos funciones esenciales: Separar el vapor del agua para suministrarlas al sistema de bajantes limpia y separada del vapor para la circulación segura y correcta, y separar la humedad del vapor para entregar vapor de alta calidad. Las partes o piezas internas cumplen estas funciones por medio de las dos etapas de separación.

La finalidad de los tubos mandrilados es para añadir mayor resistencia a los tubos laminados y evitar que tengan holguras y se salgan de los orificios donde se alojan al dilatarse y ensancharse debido al sobrecalentamiento causado por bajo nivel de agua u otras razones. ¿Cuál es la diferencia entre las calderas de tubos de agua y las calderas de humo? En calderas pirotubulares, los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua los rodea. La inversa ocurre en el caso de las calderas de tubos de agua o acuotubulares. ¿Qué es un economizador? El economizador es un equipo auxiliar de la caldera, su objetivo es que el equipo eleve su eficiencia, está compuesta de una sección absorbente de calor de tubos de agua que precalienta el agua de alimentación para la caldera o generador de vapor, absorbiendo calor de la salida de gases al exterior.

Una chimenea es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas, calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmósfera. Como norma general son completamente verticales para asegurar que los gases calientes puedan fluir sin problemas, moviéndose por convección térmica (diferencia de densidades). Componentes Principales de un Ciclo Combinado Los principales componentes de un ciclo combinado son:  

Turbina de gas. Caldera de recuperación.

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Turbina de vapor. Condensador. Tanque de agua de alimentación/desgasificador. Ciclo de agua de refrigeración. Alternadores.

Los equipos clave de estos ciclos son: la turbina de gas y la caldera de recuperación. La turbina de gas está integrada por los siguientes componentes básicos:   

Compresor axial. Cámara de combustión. Turbina propiamente dicha.

Los principales componentes de la caldera de recuperación son:    

Economizador. Evaporador. Recalentador. Chimenea de escape.

Estas calderas son equipos modulares que constan de una envoltura externa, construida generalmente con chapas de acero, y de bancos de tubos de acero aptos para alta presión por donde circula el agua. En la chimenea se puede incorporar un sistema de catalizadores que permite la reducción simultánea de la emisión de los óxidos de nitrógeno y del monóxido de carbono.