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• Valentina Ruiz

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Balances termodinámicos: Caldera pirotubular

Objetivos 

Realizar los balances de masa y energía en una caldera pirotubular.

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Conocer la metodología para el cálculo de eficiencia de combustión en la caldera.

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Hallar las pérdidas de calor en una caldera.

Marco teórico Calderas (Compañia suramericana de seguros S.A, 2002) Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan o calientan el agua para aplicaciones industriales. También se puede definir como un sistema a presión que transfiere calor, el calor obtenido es el producto de la combustión de una mezcla de aire-combustible para producir vapor o agua caliente. (Soto Cruz, 1996) Se pueden calificar según su uso en calderas residenciales, comerciales, industriales o de generación eléctrico (potencia). Las calderas constan de dos partes principalmente: Cámara de agua Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cm por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. La razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción es lo que permite clasificarlas calderas según su volumen en: calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua. Cámara de vapor Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Adicionalmente las calderas tienen dentro de su configuración gran cantidad de elementos en cuanto a operación y control. Entre estos elementos se encuentran:  

Válvulas de seguridad Válvulas reguladoras de flujo

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Bomba de alimentación Tanque de condensados Trampas de vapor Redes de distribución Equipos consumidores Sistemas de recuperación de calor

Para dar con más detalle la configuración real de una caldera dependerá del tipo, el fabricante o el uso para el que fue diseñada, sin embargo, una caldera promedio consta de las siguientes partes(ABSORSISTEM, n.d.): 

Quemador: sirve para quemar el combustible.

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Hogar: También llamada cámara de combustión alberga el quemador en su interior y es allí donde se realiza la combustión del combustible utilizado y la generación de los gases calientes.

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Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a través de su superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.

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Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida de los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.

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Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.

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Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

Imagen 1. Partes de una caldera. Calderas pirotubulares En estas calderas los gases de la combustión son obligados a pasar por el interior de los tubos, que se encuentran sumergidos en el agua. El conjunto, agua y tubos de gases, se encuentra rodeado por una carcasa exterior. Los gases calientes, al circular por los tubos,

ceden calor sensible, el cual se transmite al agua. Estas calderas tienen una presión de trabajo igual o menor a 20 kg/cm ya que presiones más altas obligaría a tener espesores de placa en la carcasa demasiado grandes. Su producción de vapor se encuentra alrededor de las 25 t/h. (Cruz, 1996) Las ventajas de este tipo de caldera son: 1. Capacidad para soportar fluctuaciones bruscas de grandes cargas, produciendo solo ligeras variaciones en la presión debido a la gran cantidad de agua almacenada. 2. Bajo costo inicial 3. Bajo costo de mantenimiento 4. Simplicidad en su instalación que solo exige la conexión de la caldera a las redes de agua, vapor, combustible y el disponibles previamente en la fábrica electricidad. 5. En condiciones adecuadas de operación y mantenimiento pueden alcanzar un rendimiento hasta del 90%. A pesar de las ventajas anteriores, estas calderas también presentan los siguientes problemas y limitaciones: 1. Restricciones en tamaño y capacidad por resistencia a la tracción de la carcasa 2. tensiones térmicas y peligro de explosión por el efecto combinado de lo anterior y las incrustaciones.

Imagen 2. Caldera Pirotubular Calderas acuotubulares El diseño de estas calderas diferente a las pirotubulares, ya que los gases de combustión circulan por la parte externa de los tubos, mientras que por su interior lo hace el agua, que se convierte finalmente en vapor.

Estas calderas se pueden clasificar según su rango de producción de vapor, si tienen un rango de producción pequeño son llamadas calderas compactas, y si este rango es grande son llamadas calderas de centrales termoeléctricas. En la mayoría de industrias se utilizan las calderas de vapor acuotubulares que operan a presiones inferiores a los 64 kg/cm' y temperaturas por debajo de los 450°C , las cuales se consideran calderas pequeñas y medianas las que tienen capacidades de vaporización desde 3 hasta 100 toneladas/hora, éstas a su vez se clasifican en diferentes tipos. (Cruz, 1996)

Imagen 3. Caldera Acuotubular Marco Matemático (Jutglar & Galán, 2012)

Para el balance de masa no es necesario tener en cuenta el fluido de trabajo, por lo cual se puede expresar así:

𝑚̇ 𝑐 + 𝑚̇𝑎 = 𝑚̇ℎ donde 𝑚̇ 𝑐 = 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑏𝑢𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑚̇𝑎 = 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚̇ ℎ = 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 Ahora, para el balance de energía se supondrá que la caldera opera en estado estacionario, que no efectúa trabajo, y que los cambios en la energía cinética y potencial son despreciables; por lo anterior se tiene que:

̇ − ℎ𝑤𝑒 ) + 𝑄𝑝 𝑚̇ 𝑐 𝑃𝐶𝐼 + 𝑚̇𝑎 ∗ ℎ𝑎 = 𝑚̇ℎ ℎℎ + 𝑚̇𝑤 (ℎ𝑤𝑠 donde 𝑃𝐶𝐼 = 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑑𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 ℎ𝑎 = entalpía específica del aire de combustión ℎℎ = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛

ℎ𝑤𝑠 = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ℎ𝑤𝑒 = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑄̇𝑝 = 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑣é𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠

Para el cálculo del rendimiento de una caldera, es necesario medir el flujo másico de combustible y del fluido de trabajo, además del incremento de sus entalpías, ya que: 𝑄𝑐 = 𝑚̇𝑐 𝑃𝐶𝐼 𝑄𝑢 = 𝑚̇𝑤 (ℎ𝑤𝑠 − ℎ𝑤𝑒 )

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 ú𝑡𝑖𝑙

Por lo tanto, el rendimiento de la caldera será: 𝑛 = 𝑄𝑢 /𝑄𝑐 Por último, para el cálculo de la eficiencia de la caldera se empleará la siguiente expresión:

y donde,

𝐸𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑒 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑎 𝑟𝑎í𝑧 𝑑𝑒 𝑠𝑢 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 𝐸𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑐ℎ𝑖𝑚𝑒𝑛𝑒𝑎

𝐸𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎

Referencias ABSORSISTEM. (n.d.). Descripción de Calderas y Generadores de vapor | Absorsistem. Retrieved September 13, 2017, from http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/descripciónde-calderas-y-generadores-de-vapor Compañia suramericana de seguros S.A. (2002). Calderas. Retrieved from http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/CALDERAS/Curso Calderas Transformadora De Calor.pdf Soto Cruz, J. J. (1996). Fundamentos sobre ahorro de energía. UADY, Facultad de Ingenieri ́a Qui ́mica. Jutglar, L., & Galán, M. (2012). Termotecnia. Barcelona: Marcombo.