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"CALDERAS: CLASIFICACIÓN, USOS Y MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR" Article · August 2018

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1 author: Rosa Miranda Benemérita Universidad Autónoma de Puebla 1 PUBLICATION   0 CITATIONS    SEE PROFILE

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Benemérita Universidad Autónoma De Puebla. Facultad de Ingeniería Química Transferencia de calor

Dra. Esmeralda Vidal Robles Alumna: Rosa Nayeli Miranda Valdovinos Fecha de entrega: 04 de julio de 2018

“CALDERAS: CLASIFICACIÓN, USOS Y MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR”

Resumen: Las calderas son dispositivos que sirven para generar energía térmica mediante la transformación de la energía contenida en distintos combustibles por medio de la combustión. Estas son diseñadas para transmitir el calor obtenido por un combustible a un fluido (generalmente agua) con el fin de producir vapor, el cual se usará como una sustancia de trabajo en otros dispositivos o sistemas. Debido al crecimiento y demanda industrial que se ha generado en los últimos años, las calderas son utilizadas en muchos procesos industriales como en la producción de alimentos y bebidas, así como en plantas industriales para la generación de energía eléctrica y en hospitales para la esterilización de material médico. Tienen una amplia clasificación (dependiendo de distintos autores) y su funcionamiento implica los tres mecanismos de transferencia de calor existentes.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 MARCO TEÓRICO.................................................................................................. 1 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS: ........................................................................... 1 En función a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustión: ...................................................................................................... 1 USOS EN LA INDUSTRIA: .......................................................................................... 4 COMPONENTES DE UNA CALDERA:............................................................................ 5 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LAS CALDERAS:................................. 6 a) Conducción: ............................................................................................... 6 b) Convección:................................................................................................ 6 c) Radiación: .................................................................................................. 7 CONCLUSIONES ................................................................................................... 7 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 8 REFERENCIA DE IMÁGENES Y TABLAS ............................................................ 8

INTRODUCCIÓN En la industria una caldera o generador de vapor es un recipiente metálico, cerrado, dotado de una fuente de calor donde se calienta o se hace hervir el agua. En términos generales, una caldera es un intercambiador de calor que aprovecha el calor que se produce al quemar un combustible, ya se sólido, líquido e incluso gaseoso, 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 de un fluido (principalmente agua), esto se logra mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. De acuerdo con Cusme y Valencia (2014): “El termino de generador de vapor está siendo utilizado en la actualidad para reemplazar la denominación de caldera, e indica al conjunto de equipos compuestos por: horno (u hogar), cámaras de agua (o evaporador), quemadores, sobrecalentadores, recalentadores, economizador y precalentador de aire” (p.26). Dependiendo de los criterios bajo los cuales se clasifiquen será su uso en la industria. MARCO TEÓRICO Clasificación de las calderas: En función a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustión:

• Con tubos múltiples de humo – Pirotubulares: Son generadores de vapor pequeños, también conocidas como calderas de tubos de fuego. En este tipo de calderas los gases calientes circulan por dentro de los tubos y el agua circula por el exterior de estos, en ellas se genera agua caliente o vapor saturado. Existen diferentes tipos de calderas pirotubulares de acuerdo con el número de pasos de los gases en sentido Ilustración 1: Caldera Pirotubular (Fuente: CMI)

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longitudinal, de acuerdo con Lapido, Vidal y Madrigal (2015): “A medida que aumenta el número de tubos de humos, así como la cantidad de pasos, aumenta el intercambio de calor, lo cual disminuye la temperatura de los gases a la salida del generador de vapor, y, por consiguiente, se incrementa el rendimiento. No obstante, tiene la desventaja de que aumenta la caída de presión por el lado de los gases” (p.12). Las calderas pirotubulares se componen por un hogar o tubo central, tubos de humo o fluses, placas, casco o carcasa, una cámara de agua y una cámara de vapor •

Con tubos múltiples de tubos de agua – Acuotubulares: Son generadores de vapor de pequeño volumen de agua. En este tipo de calderas el agua circula por dentro de los tubos, mientras que los gases circulan por el exterior de estos, de manera contraria a cómo trabajan las calderas pirotubulares. Una caldera acuotubular consta básicamente de tambores y de tubos. Los tubos a través de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado están fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el tambor de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y altos índices de rendimiento o eficiencia.

Ilustración 2: Caldera Acuotubular (Fuente: Absorbsistem)

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A continuación, se muestra una tabla comparativa realizada por el Dr. Eberhard Franz (2013) donde se muestran las diferencias entre una caldera de tipo pirotubular y una caldera acuotubular:

Tabla 1: Tabla comparativa entre una caldera pirotubular y una caldera acuotubular

Otra manera de clasificación de las calderas es en base al tiro de los gases: • •

Tiro natural: no requieren sistemas de ventilación adicional para evacuar los gases de la combustión Tiro inducido o forzado: disponen de un ventilador integrado que garantiza una correcta evacuación de los gases quemados.

En función de las necesidades energéticas del proceso: • • • • •

Calderas de agua caliente. Calderas de agua sobrecalentada. Caldera de vapor saturada. Calderas de vapor sobrecalentado. Caldera de fluido térmico.

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En base a lo que plantea Shield (1987) y de acuerdo con esta investigación las calderas se pueden clasificar de la siguiente manera: •

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En base a su uso: Las características de este tipo de calderas varía en función del servicio que prestan, estas pueden ser estacionarias (instaladas en tierra) que se utilizan principalmente para la calefacción en edificios y como plantas de vapor en procesos industriales y centrales termoeléctricas o móviles (para navíos y locomotoras), estas se utilizan en campos petroleros y aserraderos, así como en obras de construcción. En base a la presión: El código de calderas ASME contempla las siguientes calderas: a) Calderas de calefacción de baja presión, comprenden todas las calderas de vapor con una presión permisible menor a 1.05 kg/cm2 y calderas para agua caliente con una presión máxima de 11.25 kg/cm2 y cuyas temperaturas no sobrepasan los 121°C. b) Calderas para generación de fuerza, se contemplan todas aquellas calderas que sobrepasan los 1.05 kg/cm2 y los 11.25 kg/cm2 de las calderas de vapor y para agua caliente respectivamente. c) Calderas miniatura, son todos aquellos tanques de presión sometidos a fuego, que no exceden un diámetro interior del casco de 406 mm, un volumen máximo de 0.141 m3 (excluyendo la cubierta y el aislamiento), una superficie de calefacción de 1.86 m2 y una presión máxima de trabajo de 7 kg/cm2. De forma general: Se conocen dos tipos de calderas principalmente las cuales son las calderas de tubos de humo, tubulares, horizontales de retorno de fogón de caja corta, compactas, de locomotora, de tubos verticales del tipo portátil, del tipo escocés, así como unidades residenciales. Así como calderas de tubo de agua (acuotubulares) que pueden ser de tubos rectos y de tubos curvados.

Usos en la industria: A nivel industrial las calderas de vapor son utilizadas en la generación de vapor o agua caliente para plantas de fuerza o procesos industriales, teniendo aplicaciones en industrias como: • •

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La industria alimenticia: ya que la parte esencial de sus procesos está basada en el calor para lograr la cocción o purificación de muchos de sus productos. La industria hospitalaria: su principal función es en la esterilización de instrumentos. Entre más grande y más áreas de trabajo tenga el hospital es mayor la demanda de estos equipos. La industria de bebidas alcohólicas: es también un gran consumidor de equipos caloríficos de grandes dimensiones y potencia, aquí es muy común su uso en la aceleración de la fermentación y en el proceso de cocinado de la materia orgánica que sea la base del producto. Página | 4

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En distintas industrias suelen utilizarse para la generación de electricidad a través del ciclo de Rankine.

Componentes de una caldera: • •

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Hogar o cámara de combustión: Es en esta parte de la caldera donde se realiza la reacción química de la combustión. Tambor de vapor o domo principal: Es una pieza cilíndrica, su función es la producción de vapor, es quizá el elemento más importante de una caldera y aloja en su interior los elementos necesarios para llevar a cabo el control químico del agua y la calidad del vapor. Puerta hogar o quemador Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego. El quemador por su parte es el dispositivo de la caldera de generar la llama que provocará la liberación de energía del combustible atomizado. Haz de tubos: está compuesto por múltiples tubos de menor diámetro que el hogar, por donde circulara el fluido correspondiente en base al tipo de caldera que se trate. Chimenea: Es el conjunto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera. Además, tiene como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión.

Ilustración 3: Disposición general de una caldera (Fuente: Rodríguez, 2000)

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Mecanismos de transferencia de calor en las calderas: De acuerdo con Cengel (2007) el calor es “una forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura”, este a su vez tiene tres mecanismos de transferencia que son la conducción, la convección y la radicación. a) Conducción: Es la transferencia de energía desde un punto de un material hacia otro del mismo o un material contiguo donde las partículas más energéticas de una sustancia hacia las menos energéticas. Este mecanismo de transferencia de calor se describe por medio de la ley de Fourier de la conducción de calor, expresada matemáticamente como: 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = −𝑘𝐴

𝑑𝑇 𝑑𝑥

Donde la k es la conductividad térmica (es una medida de la capacidad de un material para conducir calor), A es el área de transferencia de calor, dT/dx es el gradiente de temperatura respecto al eje x y el signo negativo asegura que la cantidad de transferencia de calor sea positiva en la dirección x. En una caldera la conducción ocurre en el interior de la caldera debido a la resistencia que se produce entre las paredes de la caldera y el haz de tubos. b) Convección: Es la transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido gaseoso o líquido, es causada por el movimiento o agitación del fluido, que fuerza a las partículas calientes a remplazar continuamente a las enfriadas al contacto con la superficie fría (absorbe el calor). La convección puede ser de dos tipos, natural la cual es causada debido a las diferencias de densidad, que provienen del diferencial de temperatura, o forzada que es causada por medio de fuerzas mecánicas que obligan el movimiento del fluido. Este mecanismo se expresa matemáticamente por la ley de Newton del enfriamiento: 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = ℎ𝐴𝑠 (𝑇𝑠 − 𝑇∞ ) Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, A s es el área superficial donde tiene lugar la transferencia de calor por convección, T s es la temperatura de la superficie y 𝑇∞ es la temperatura del fluido suficientemente alejado de la superficie. En una caldera la convección se lleva a cabo en la zona de convección, compuesta por deflectores (véase ilustración 3), así como por los gases de combustión hacia el agua alrededor del haz de tubos. Página | 6

c) Radiación: Es la transferencia directa de calor en forma de energía radiante, este tipo de energía es emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas o fotones, procedente de la incandescencia del combustible o de las flamas luminosas y de los refractarios, a los tubos o al cuerpo de la caldera. Se expresa matemáticamente mediante la ley de Stefan-Boltzmann como: 𝑄̇𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎,𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝐴𝑠 𝑇𝑠 4 Donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann la cual es igual a 5.67×10 8 W/m2·K4, As es la superficie donde se lleva a cabo la radiación y Ts es la temperatura de la superficie. La superficie idealizada que emite radiación a esta razón máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por éste es la radiación del cuerpo negro. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como: 𝑄̇𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎,𝑚𝑎𝑥 = 𝜀𝜎𝐴𝑠 𝑇𝑠 4 Donde ε es la emisividad de la superficie que va desde 0 hasta 1. En una caldera la radiación se lleva a cabo dentro del hogar (cámara de combustión) el cual se comporta como un cuerpo negro debido al hollín que se va a acumulando en sus paredes. CONCLUSIONES El estudio de los principios básicos de la transferencia de calor es un requisito indispensable al momento de utilizar equipos para un proceso, como es el caso del estudio de los mecanismos de conducción, convección y radiación en las calderas. A lo largo de esta investigación se abordó la clasificación de las calderas o generadores de vapor las cuales constan de diferentes características que permiten un amplio uso dentro de la industria, usualmente se utilizan como generadores de energía eléctrica y como calentadores de fluidos (como es el caso de su aplicación en la industria petrolera). Dependiendo de la clasificación serán los componentes de estos equipos, sin embargo, independientemente de la clasificación estos equipos constan básicamente de una cámara de combustión donde se lleva a cabo la radiación, un tambor de vapor, un quemador, un haz de tubos, donde se produce el mecanismo de conducción, así como el de convección, una chimenea y deflectores, donde se lleva a cabo la convección.

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BIBLIOGRAFÍA Abarca, P. (s.f.). Descripción de calderas y generadores de vapor. ACHS. Recuperado de: http://www.achs.cl/portal/trabajadores/Capacitacion/CentrodeFichas/Documents/descripci on-de-caldera-y-generadores-de-vapor.pdf. Cusme, G. & Valencia, G. (2014). “MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA, DE LA FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS, DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ”. Universidad Técnica de Manabí. Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas. Ecuador. Franz, D. (s.f.). Comparativa de caldera pirotubular y caldera acuotubular. Alemania. Recuperado de: https://www.bosch-industrial.com/files/fb013_sp.pdf Güiza, R. & Rangel, V. (2017). Metodología para determinar la eficiencia energética de calderas de baja potencia. Jóvenes en la ciencia. Revista de divulgación científica, 3(2), pp. 2628-2634. Rodríguez, G. (2000). Operación de calderas industriales. Tratado práctico operacional. Colombia: Ecoe ediciones. Shield, C. (1987). Calderas. Tipos, características y funciones. México: Compañía Editorial Continental.

REFERENCIA DE IMÁGENES Y TABLAS Ilustración 1: http://www.cmind.com.mx/wp-content/uploads/2013/02/caldera-horizontal.jpg Ilustración 2: https://www.absorsistem.com/sites/default/files/static/ici_caldaie/Calderas/Caldera%20acu otubular.png Ilustración 3: Rodríguez, G. (2000). Operación de calderas industriales. Tratado práctico operacional. Colombia: Ecoe ediciones. (Fotografía, página 49). Tabla 1: Franz, D. (s.f.). Comparativa de caldera pirotubular y caldera acuotubular. Alemania. Recuperado de: https://www.bosch-industrial.com/files/fb013_sp.pdf

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