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• Francisco Guerrero Zurita

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

CALDERO FUNCIONAMIENTO FÍSICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS INTEGRANTES:    

CASTILLO SÁNDIGA LUIS DÍAZ TORRES VÍCTOR FERNÁNDEZ HUERTA ROCÍO GUERRERO ZURITA FRANCISCO

DOCENTE: ING. HERNÁN PARRA OSORIO

GRUPO 5

2013 - I

FÍSICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIASLIMA - PERÚ

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CALDERO - FUNCIONAMIENTO OBJETIVOS: 

Evaluar las condiciones y el proceso de cómo opera un caldero, mediante la investigación teórica y empírica.

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Estudiar las partes del caldero y la importancia de cada uno de ellos en el proceso de funcionamiento del equipo.

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Evaluar los peligros que podría causar el uso de este equipo.

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CALDERO - FUNCIONAMIENTO 1. FUNDAMENTO TEÓRICO

El caldero es el equipo que proporciona el calor necesario que se requiere en una planta de procesos según la fig. 1:

Fig. 1

El vapor es producido en el caldero quemando un combustible sólido (carbón, bagazo), líquido (Diesel, Residual 5, Residual 6) o gaseoso (gas natural, propano). El combustible entrega su poder calorífico al agua ubicada dentro del caldero, generando de esta manera vapor saturado o vapor recalentado. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS: Se clasifican según diversos criterios, relacionados con la disposición de los fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, aspectos estructurales, modo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible, forma de alimentación del agua y muchos otros factores. Basándonos en estos criterios, por la disposición de los fluidos las claderas se pueden clasificar en: F FÍSICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS

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De tubos de agua (Acuotubulares): El agua está dentro de los tubos; en estos tubos, el agua circula, bañados exteriormente por los gases, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. La combustión se da en la cámara destinada a dicha función es atravesada por los tubos de agua, que entonces se calienta y cambia a estado gaseoso. Se utilizan tubos longitudinales para aumentar la superficie de calefacción y se colocan de forma inclinada para que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerza naturalmente la entrada de agua por la parte inferior.

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De tubos de humo (Pirotubulares): En esta los humos pasan por dentro de los tubos, y el agua baña a éstos por fuera, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación. Los gases muy calientes procedentes de un quemador, se conducen a través de múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una chimenea de salida al exterior. Estos tubos se conocen como tubos de fuego. Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y haciéndola hervir, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso. Una válvula de

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seguridad calibrada. Impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera.

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2. PARTES DE LA CALDERA

1. Chimenea 2. Silvador 3. Tapa 4. Tubo de residuos sólidos 5. Tubo de salida de vapor de agua 6. Alarma 7. Boya 8. Filtro de combustible 9. Bomba de agua 10. Válvula Chek tipo disco 11. Válvula regulador de presión de vapor de agua 12. Presóstato

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3. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO DE LA CALDERA DE LABORATORIO En el laboratorio de Operaciones Unitarias se encuentra una Caldera Pirotubular de 30 BHP, 150 PSI o 1050 Libras de presión. Proporciona la energía de casi el 50% de los equipos que forman parte del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad De Ingeniería Química y Petroquímica.

CONTROL BÁSICO DE LA CALDERA: El principio de funcionamiento de una caldera industrial es relativamente sencillo, el agua, a un nivel determinado dentro de la caldera es calentada hasta su punto de ebullición, de ésta manera se produce vapor. Conforme el agua se evapora, su nivel baja, y entonces se tiene que suministrar agua para devolverlo nuevamente a su nivel inicial.

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CALDERO - FUNCIONAMIENTO

El vapor producido por la caldera es muy sensible a los repentinos cambios en el nivel de agua que afecta la presión dentro de la caldera. Es por esto que se cuenta con sistemas de control para regular un nivel máximo y un nivel mínimo de agua en la caldera a fin de mantener una presión de vapor casi constante para un trabajo eficiente. Si el nivel de agua es demasiado bajo, las superficies de la caldera quedaran demasiado expuestas, y ésta se recalentará acortando así su tiempo de vida. Por otro lado si el nivel de agua es muy alto, ésta podría ser aspirada junto con el vapor, resultando una pobre calidad de vapor. Para esto se establece en la caldera una banda de operación que es regulada por el sistema de control como se ve:

Rango de variación del nivel de agua

INDICADOR DE NIVEL: Su función es indicar el nivel del agua en el interior de la caldera:

Burbujas formadas en la ebullición

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Cabe resaltar que el nivel que se refleja en el indicador es el nivel promedio en el que el líquido está presente dentro de la caldera, pues como sabemos, cuando hacemos ebullir agua, las burbujas que se formar al empezar a evaporarse, hacen que se incremente el volumen que ocupaba inicialmente el líquido. Éste fenómeno ocurre también dentro de la caldera, entonces el indicador refleja el nivel promedio de agua dentro de ésta. CONTROL DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN: Para reemplazar el agua que ha sido convertida en vapor es necesario reemplazar con agua de reposición. Cuando el nivel de agua cae hasta un cierto punto, se activa la bomba de alimentación se enciende y que repone el agua hasta un nivel adecuado. 

Bomba de alimentación: Es la que se encarga como ya se mencionó de mantener el correcto nivel de agua, suministrándola cuando sea necesario, para esto, la presión a la cual trabaje la bomba deberá ser siempre mayor a la presión interior de la caldera, para que al momento de llenar el tanque no se produzca disminuciones en la presión de vapor que se está aprovechando.

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Agua precalentada: Se sabe que cuando el agua está en su punto de ebullición si nosotros inyectamos agua fría, reducimos considerablemente la temperatura final del agua. Con esto la emisión de vapor. Si esto ocurriese en el sistema de una caldera industrial, tendríamos como resultado un flujo variable de vapor para su utilización, lo que haría totalmente ineficiente a la caldera, pues tendríamos que esperar a que el agua vuelva a alcanzar su punto de ebullición para poder volver a utilizar el vapor de agua. Con el fin de solucionar éste problema, la bomba de alta presión encargada de suministrar agua, lo hace con agua a una temperatura que no altere considerablemente el equilibrio dentro de la caldera (30°C), ni los mecanismos que regulan y miden la cantidad de líquido que ingresan. De esta manera el agua es calentada en un tanque a una temperatura aprox. de 30°C para reducir de ésta manera alteraciones en el equilibrio de la ebullición del agua en el interior.

OPERACIÓN A BAJA PRESIÓN: Cuando la caldera trabaja a una baja presión, las burbujas producidas como resultado de la ebullición tienden a ser más grandes, y explotar con más fuerza, volviendo la superficie de ebullición más turbulenta. Cuando esto ocurre las burbujas que revientan en la superficie lo hacen de manera más brusca, ocasionando que salpiquen gotitas de agua, que podrían mezclarse con el vapor obtenido y empobrecer la calidad de vapor requerido. Es por esto que es recomendable trabajar el caldero a su presión de diseño. F FÍSICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS

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CALDERO - FUNCIONAMIENTO 8 atm

3.5 atm

CUANDO LA DEMANDA DE VAPOR ES MUY ALTA: Cuando la demanda de vapor aumenta por encima de su nivel máximo puede ocasionar problemas de golpe de ariete y niveles bajos de agua, lo que ocasiona que se active la alarme de apagado en el sistema. Al aumentar la demanda de vapor más allá de su máxima capacidad de generación, produce un descenso de la presión en el interior de la caldera, esto como respuesta a la continua extracción del vapor de la caldera. Cuando sucede esto la superficie se vuelve más turbulenta, debido a que las burbujas explotan con más fuerza y el nivel de la caldera F FÍSICOQUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS

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aumenta para poder cubrir el aumento de demanda de vapor (cabe resaltar que llamamos nivel de la caldera al nivel que ocupa el agua con sus burbujas correspondientes en total, así que cuando disminuye la presión, las burbujas aumentaran considerablemente, por lo que decimos que “el nivel aumenta”, por otro lado llamamos “nivel de agua” al líquido libre de burbujas), en consecuencia, se cubre totalmente la salida del vapor por las burbujas extrayéndose de esa forma también agua. En este proceso el indicador de agua no registra cambio alguno, debido a que registra la superficie libre de burbujas, que se mantiene casi estable, mientras que el agua en la parte superior está compuesta casi en su totalidad de burbujas. Después de esto el nivel de agua empieza a descender considerablemente conforme el agua se revaporiza continuamente, en su intento por satisfacer la demanda excesiva de vapor. Cuando esto pasa se activa la alarma de apagado y el sistema se apaga automáticamente.

Estado Inicial

Aumento de burbujas con agua

Sistema apagado.

El Indicador se mantiene estable.

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Alarma de la caldera

QUEMADO: La caldera en estudio es una caldera pirotubular. Usa como combustible el Diesel 2, el cual es costoso, pero su eficiencia es considerable. Internamente cuenta con 55 tubos por los cuales circula los gases que emanan de la combustión. Es un caldero de 3 pasos. De esta manera:

Los pasos en los tubos, sirven para reducir su alta temperatura a medida que entrar en contacto con el agua, de esta manera son expulsados sin contaminar tanto el ambiente.

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CALDERO - FUNCIONAMIENTO CONCLUSIONES 

El calentamiento del agua dentro de la caldera se da por convección, desde la recámara principal de la flama denominada hogar. Hasta hacerla llegar hasta su punto de ebullición donde se aprovecha su vapor producido.

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Los parámetros principales que se han de tener en cuenta a la hora de seleccionar las calderas pueden ser: La potencia útil, la eficiente producción de vapor, presión de trabajo continuo y la temperatura en trabajo continuo.

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Uno de los factores de mayor importancia, es el control de la presión que se ejerce dentro de la caldera, pues de no tomar las medidas necesarias, ésta podría explotar, como ya han ocurrido muchos casos en plantas industriales a nivel mundial.

RECOMENDACIONES: 

El agua debe ser precalentado para reducir las variaciones de presión en el vapor producido pero ésta no debe exceder los 30 grados porque malograría el equipo.

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Es recomendable aislar los tubos con fibra de vidrio y no con asbesto, ya que es dañino para la salud aunque resulte menos costoso.

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Es recomendable hacer un mantenimiento del caldero periódicamente, éste mantenimiento a escala industrial, puede ser hasta cada 6 meses, pero en cuestiones de estudio (con menor uso) puede ser anualmente, o cuando se requiera.

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La operación de un caldero en una planta industrial, está a un especialista encargado únicamente de controlar su correcto funcionamiento en todo su proceso de trabajo.

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