2. alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales
donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones.
La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión, tan común en
nuestros hogares.
En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la
que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como un combustible, electricidad
etc. para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un
espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de
ebullición del agua, pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y
temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente
vacío, conocido como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el
proceso en cuestión.
Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades del proceso
son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera, especialmente en las
grandes instalaciones industriales.
FIGURA 2.1 Partes Caldera
2.2 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
3. estructurales, modo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible,
forma de alimentación del agua y otros muchos factores
Basándonos en algunos de estos criterios las calderas se pueden clasificar en:
a) Por la disposición de los fluidos
De tubos de agua (Acuotubulares)
De tubos de humo (Pirotubulares)
b) Por la posición del tambor o hervidor
Verticales
Horizontales
c) Por la posición de los tubos
Verticales
Horizontales
Inclinados
d) Por el número de pasos
Un paso
Dos pasos
Tres o más pasos
e) Por la circulación del agua
De circulación natural
De circulación asistida
De circulación forzada
f) Por el mecanismo de transmisión de calor dominante
De convección
De radiación
De radiación y convección
g) Por el combustible empleado
De carbón (de parrilla mecánica o de carbón pulverizado)
De combustibles líquidos
De combustibles gaseosos
De combustibles especiales (Bagazo, etc.)
Nucleares (uranio natural, enriquecido, etc.)
h) Por la presión de trabajo
4. Subcríticas
De baja presión (menor a 20 kg/cm2)
De media presión (entre 20 y 64 Kg/cm2)
De alta presión (mayor a 64 kg/cm2)
Supercríticas
Í) Por el tiro
De tiro natural
De hogar presurizado
De hogar equilibrado
j) Por el tipo de construcción
De montaje en fábrica, (calderas compactas o tipo paquete)
De montaje en campo
k) Por el modo de gobernar la operación
De operación manual
Semiautomáticos
Automáticos
l) Clasificación por los materiales
Calderas de fundición
Calderas de acero
Calderas murales
2.3 TIPOS DE CALDERAS
2.3.1. Clasificación de las calderas por su diseño
2.3.1.1 Acuotubulares
Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) en éstas el agua
circula por dentro de los tubos, 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
5. naturalmente la entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando
se requiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes potencias
fueron muy utilizadas en centrales eléctricas y otras industrias de principios del siglo
XX. El vapor producido es de naturaleza seca, por lo que también es ideal para los
sistemas de transmisión de calor. Se caracterizaban además por sus dimensiones totales
reducidas y por ser originalmente construidas para uso con combustibles sólidos,
mientras que son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o
diesel.
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.
FIGURA 2.2 Caldera Acuotubular
2.3.1.2. Pirotubulares.
La caldera de vapor pirotubular, (Calderas de tubos de Humo), en éstas los
humos pasan por dentro de los tubos, y el agua baña a éstos por fuera, concebida
especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes
características.
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.
6. 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 seguridad
calibrada, impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera.
FIGURA 2.3 Caldera Pirotubular
2.4. LÍNEAS DE AGUA Y COMBUSTIBLE EN UNA CALDERA
Es importante hablar de los dos flujos que tienen lugar en las calderas para
comprender su funcionamiento.
2.4.1 Flujo agua - vapor - condensado.
El agua previamente tratada que se alimenta a la caldera, es calentada hasta que
se transforma en vapor por el calor recibido, éste vapor se lo transporta hasta los puntos
de consumo donde pierden su calor de condensación y cambian a fase líquida. Con el
objeto de evitar choques térmicos en las estructuras de la caldera y porque el
condensado ya no necesita ser tratado, se lo suele retomar como agua de alimentación
para iniciar nuevamente el proceso, a esto lo llamamos línea de agua.
2.4.2 Flujo combustible/comburente - gases de la combustión.
7. El combustible es preparado según su naturaleza para que correctamente
atomizado, se mezcle con el comburente (aire por lo general) y se queme lográndose la
presencia de llama producida por la combustión. La energía química se transforma en
energía calórica, que contenida en los gases resultados de la combustión, es transferida
y aprovechada para calentar el agua en la caldera. Estos gases atraviesan la caldera y
son despedidos por la chimenea con la menor cantidad de calor posible, conocido como
línea de combustible.
2.5 PARTES CONSTITUTIVAS DE LA CALDERA
En forma general una caldera está constituida por los siguientes elementos
principales:
Superficies Evaporativas o Caldera propiamente dicha.
Hogar.
Quemador
Conductos para la alimentación de aire para la combustión y de evacuación de
los gases productos de la combustión, incluyendo la chimenea.
Equipos y Mecanismos Auxiliares (Tanques de Alimentación, Bombas de
alimentación, tratamiento de agua. Ventiladores de Tiro inducido y forzado, etc.)
FIGURA 2.4 Vista en Perspectiva Caldera Pirotubular
8. Componentes de Seguridad de una caldera
Válvulas de Seguridad o Alivio
Detector de llama o Foto celda
Control de presión de seguridad o límite
Control auxiliar de bajo nivel de agua
Alarmas tipo acústica o visual
Con el fin de la mayor eficiencia en la utilización de la energía del combustible,
las calderas pueden contar con otras superficies de calentamiento tales como:
Economízadores
Sobrecalentador
Calentadores de Aire
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 cuerpo lado 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. El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta
sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose
como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las
conexiones e instalación
2.6. EFICIENCIA
La eficiencia de una caldera de vapor está determinada como el porcentaje de
combustible que se convierte en energía calórica para generar el vapor. El método
utilizado para calcular este parámetro generalmente es el de pérdidas de calor, en el que
se suman las pérdidas individuales de calor como un porcentaje de la energía
suministrada y se le resta al 100%. El valor del punto de operación normal de las
9. calderas industriales es 80% y el rango de operación normalmente varía entre 65% y
85%.
Los pasos para asegurar un sistema eficiente son aquellos en los que se reduce la
pérdida de calor. Se recomienda:
1. Asegurar una adecuada combustión. Éste proceso varía sensiblemente
dependiendo del combustible utilizado, sin embargo se deben seguir las
recomendaciones tanto del proveedor del combustible como del fabricante del
quemador. Se debe alimentar el quemador con la proporción adecuada combustible-aire
y asegurar la limpieza del quemador.
2. Eliminar las pérdidas de calor. Éstas se dan con mayor frecuencia por las
chimeneas, radiación y purgas de calor y puede representar pérdidas de hasta 30% de
eficiencia en los peores casos. En las chimeneas es necesaria el adecuado
mantenimiento y el seguimiento de las normas del fabricante. Para disminuir las
pérdidas por radiación, ya que es imposible eliminarlas por completo, se recomienda
aislar las paredes del hogar de caldera y de la caldera en general. La caldera aislada
adecuadamente no debería presentar pérdidas de más del 3%.
3. Considerar la recuperación del calor. Los economizadores y precalentadores
de aire son instrumentos opcionales que mejoran la eficiencia de una caldera al utilizar
el calor sobrante de los gases que ya han sido utilizados para calentar el agua y
precalentar tanto el agua de alimentación como el aire de combustión. Los equipos de
soplado y lavado utilizan el vapor sobrecalentado o el aire comprimido seco como
medios de limpieza dentro de la caldera.
2.7 AGUA PARA CALDERAS
En relación a tratamientos de agua para calderas, se va a estudiar la utilización
de compuestos inorgánicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo
todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa
que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarán que dicha
incrustación continúe creciendo, pero la incrustación formada no sufrirá disminución
alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificación) por
tanto la desincrustación se deberá realizar manualmente o por medio de recirculación de
10. ácidos teniendo este último los riesgos correspondientes y en ambas opciones se tendrá
que parar el funcionamiento del equipo.
2.7.1 El agua de alimentación de las calderas
Las aguas que se emplean para la alimentación de las calderas arrastran, por lo
general, materias sólidas en suspensión, como arena, arcilla, etc., y llevan disueltas
diversas sales que por la acción del calor, precipitan.
Antiguamente, cuando las presiones de trabajo eran pequeñas lo mismo que la
vaporización horaria, no se prestó mucha atención a la calidad del agua, permitiéndose
la acumulación de incrustaciones y barros que mayormente no ofrecían inconvenientes
serios, siempre que la caldera fuese purgada y limpiada con cierta frecuencia.
2.7.1.1 Dureza del agua
Un agua puede contener mucha cantidad de sustancias disueltas y sin embargo
no ser dura. La dureza de las aguas se debe a las sales calcicas o magnésicas que
contiene en disolución (dureza total). Es comente expresar la dureza en grados de
dureza o grados hidrotimétricos. Hay tres escalas a este respecto, la alemana, la francesa
y la inglesa. En USA se expresa la dureza en partes por millón (p.p.m.) de carbonato de
calcio.
El grado francés corresponde a una parte del carbonato de calcio en 100000 partes de
agua.
1º (francés)= 1Omg de C03Ca/l de agua
El grado inglés corresponde a una parte del carbonato de calcio en 70000 partes de
agua.
1º (ingles)= 14,28mg de C03Ca/l de agua
El grado alemán corresponde a una parte de oxido de calcio en 100000 partes de agua.
1º (alemán)= 1Omg de CaO/l de agua=7,19 m MgO/l de agua
Las equivalencias entre los diferentes métodos están en la tabla a continuación:
Dentro de las sales calcicas y magnésicas contenidas ordinariamente en las aguas
naturales, se pueden distinguir dos grupos:
11. TABLA 2.1 De Factores fe conversión entre las diferentes medidas de dureza
p.p.m. 1º Francés 1º Ingles 1º Alemán
p.p.m. x 0.01 0.07 0.056
1º Francés 10 x 0.70 0.560
1º Ingles 14.3 1.43 x 0.800
1º Alemán 17.9 1.79 1.25 x
2.7.1.2 Lodos e incrustaciones
Las sales de calcio y magnesio, disueltas bajo forma de bicarbonatos, pierden anhídrido
carbónico al calentarse, y se depositan bajo forma de carbonatas; el sulfato calcico, cuya
solubilidad disminuye a partir de los 35°C., también se precipita de una manera más
sensible todavía.
Tanto las materias en suspensión en el agua como la precipitación de sales, da
lugar a la formación de depósitos en las paredes de las calderas, que pueden ser
pulverulentos y poco adherentes y, por tanto, fáciles de quitar, o sumamente adherentes,
hasta el punto de que no se separan si no se recurre al escoplo y cortafríos. Los primeros
conocidos con el nombre de lodos, y de incrustaciones los segundos.
Los graves inconvenientes que la formación de estos depósitos tienen para el
buen funcionamiento y conservación de las calderas; es el hecho de que una capa de
sulfato calcico opone al paso del calor la misma resistencia que una plancha de
fundición de espesor veinte veces mayor.
Para evitar la formación de depósitos en las paredes de las calderas se pueden
seguir varios procedimientos. Desde luego, el más radical consiste en el empleo del
agua destilada. Las aguas de lluvia y las que proceden de la fusión de las nieves pueden
considerarse como puras para estos efectos, pero hay el inconveniente de la dificultad
para recogerlas y el no poder disponer de ellas en todo momento.
2.7.1.3 Corrosión
12. Algunas sales resultan perjudiciales aun cuando su presencia, en el agua sea muy
pequeña. Entre ellas se encuentra el Cl2Mg, el S04Mg, el (NO3)2Mg y el Cl2Ca; todas
sales inestables en las condiciones reinantes en las calderas y que al descomponerse,
producen ácidos libres.
El CI2Mg al hidrolizarse, por la acción del calor, produce Clh que ataca al hierro,
apareciendo cloruro de hierro, el que se descompone, regenerándose el ClH, iniciándose
otra vez el ciclo de corrosión. Lo mismo ocurre con el (NO3)2Mg: en este caso aparece
hidróxido de hierro y ácido nítrico.
El CO2, disuelto en el agua, también es de acción corrosiva.
Otro agente de corrosión es el aire disuelto en el agua que produce una oxidación lenta.
Muchas aguas contienen ácidos en disolución o pueden producirlos, como
sucede con las que llevan disuelto cloruro magnésico, el cual por el calor se
descompone, dando ácido clorhídrico; las aguas de estas condiciones deben
neutralizarse mediante la cal o la sosa cáustica. Las grasas de origen animal o vegetal
también son descompuestas por el calor, con formación de ácidos. En las calderas se
disponen, a veces, en su interior unas láminas de cinc que forman con el hierro de la
plancha un par voltaico; el cinc es atacado y el hidrógeno se desprende sobre la plancha,
impidiendo la adherencia de los depósitos (método electroquímico).
Las corrosiones pueden ser interiores y exteriores; unas y otras, disminuyen el
espesor de la plancha que constituye las paredes de la caldera y contribuyen a reducir su
resistencia.
2.7.2 Purificación de las aguas para calderas
Un tratamiento completo de las aguas para calderas exige la eliminación de
todos los componentes que se hallan como materias en suspensión: gases disueltos y
materias disueltas (dureza).
2.7.2.1 Eliminación de las materias en suspensión
13. Se efectúa por filtración o sedimentación antes o después del tratamiento para
eliminar la dureza, según la naturaleza de ésta. Raras veces se utilizan filtros cerrados, a
presión; son más frecuentes los filtros por gravedad, con capas de arena como material
filtrante. Para ayudar a los procesos de clarificación o filtración, es práctica corriente
incorporar al agua una cierta dosis de (S04}3Al2 o SO4Fe. Estas sales se hidrolizan y dan
los hidróxidos correspondientes, que actúan como floculante y retienen buena parte de
las impurezas insolubles en el agua que son fácilmente filtrables o difícilmente
sedimentables. La cantidad de sulfato de aluminio a incorporar al agua se suele calcular
por la de (CO3H)2Ca; cada grado de dureza debida al bicarbonato reacciona con 40 mg
de (SO4)3AL2.18H2O comercial (12 al 14% de Al2O3). La dosis de sulfato debe ser tal
que en el agua quede una dureza temporal entre ½ y 1º d.
Los aparatos destinados a separar los cuerpos insolubles consisten en una serie
de recipientes, por los cuales se hace circular el agua, mezclada con los reactivos, a una
velocidad muy pequeña; dichos depósitos llevan en su fondo una llave, o registró, que
permite extraer las sustancias precipitadas.
2.7.2.2 Eliminación del aire y CO2 disueltos
Es preciso efectuarla para evitar corrosiones. Se utiliza para ello el hecho de que
al elevar la temperatura o reducir la presión disminuye la solubilidad Industrialmente se
utilizan ambos fenómenos: Calentamiento de agua y producción de vacío. Si la
calefacción es por vapor directo, entonces la condensación de éste produce el vacío
necesario; es preciso no obstante, un eyector de aire para arrastrar los gases
desprendidos y no condensables Para mayor eficacia se trabaja con gran subdivisión de
la masa de agua. Los aparatos funcionan con columnas de desorción (stripping).
También para eliminar dichos gases se calienta el agua de alimentación entre 80º y 90º
C., y se la deja caer en cascada para facilitar la desgasificacion.
Los desgasificadores pueden clasificarse en:
Tipo de bandeja
Tipo de atomización
2.7.3 Ablandamiento de las aguas
14. Tiene por objeto eliminar del agua los componentes salinos causantes de la dureza.
Con tal fin se utilizan varios métodos que pueden ser físicos (destilación);
fisicoquímicos (intercambio iónico) y químicos.
2.7.3.1 Destilación
Es útil cuando es poca la cantidad de agua a ablandar con respecto al agua a
evaporar en la caldera, es decir, se puede aplicar donde se utilizan los condensados o
aguas de retorno. Sin embargo, para evitar las dificultades que puedan provenir de la
contaminación de estas aguas en los condensadores, etc. lo corriente es hacer que
preceda a la destilación una depuración química. La ventaja principal de la destilación
es que da un agua que, por ser destilada, está casi desprovista de sales disueltas; pero es
demasiado caro el proceso.
2.7.3.2 Métodos basados en intercambio iónico
Utilizan zeolitas (aluminosilicatos de sodio), como la natrosita y la analcita.
También se emplea la permutita, o sea una zeolita artificial obtenida por la fusión de
una mezcla de cuarzo, caolín y carbonato sódico.
Con esto, el agua pierde su dureza casi totalmente (la dureza residual no suele
pasar la cifra de 5 p.p.m.), saliendo del tratamiento casi sin iones calcio pero con un
mayor contenido de iones sodio. Esto puede ser una dificultad, pues el CO3HNa
formado por intercambio, pasa en la caldera a CO3Na2 que, por hidrólisis, libera iones
OH-en cantidad tal que pueden producir la corrosión cáustica de la caldera. Para evitarla
se añade al agua, después del intercambio, ácido sulfúrico o, mejor, fosfórico que
forman las correspondientes sales sódicas (inhibidoras) a costa del carbonato y del
bicarbonato.
2.7.3.3 Métodos químicos para el ablandamiento de aguas
15. Los cinco métodos más importantes para el ablandamiento de las aguas por vía química
son:
1.- Método de la cal-sosa.
2.- Método de la sosa cáustica.
3.- Método de la sosa.
4-- Método del carbonato banco
5.- Método del fosfato sódico.
En todos ellos la dureza desaparece por precipitación de los iones calcicos y
magnésicos.
2.8. CICLOS DE FUERZA DE VAPOR
16. FIGURA 2.5 Caldero Pirotubular
2.8.1 Ciclos de fuerza de vapor
2.8.1.1 Definición ciclo de vapor
Un CICLO DE VAPOR, es una serie de transformaciones por las cuales
atraviesa un sistema de tal forma que sus estados inicial y final son los mismos.
FIGURA 2.6. Representación Grafica de un ciclo
2.8.1.2 Rendimiento térmico
Se denomina rendimiento térmico del ciclo, al cociente entre la cantidad de
trabajo producida por el ciclo, Wc, y la cantidad de calor que ha entrado al sistema, esto
es:
Qe
Wc
(3.1)
2.8.2 Ciclo de vapor de Carnot
El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, en el que se obtiene el máximo rendimiento
térmico, y está constituido por dos procesos isotérmicos y dos isoentrópicos, si fuera
17. posible, se adoptaría como el ciclo ideal. Pero, como se explica a continuación, el ciclo
de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. A lo largo de todo el
análisis se considera al vapor como el fluido de trabajo, puesto que su empleo
predomina en los ciclos de potencia de vapor.
Considere un ciclo de Carnot de flujo estable ejecutado dentro de la curva de
saturación de una sustancia pura como el agua, según se muestra en la figura 2.7 a. El
agua se calienta de modo reversible e isotérmico en una caldera (proceso 1-2); tiene una
expansión isoentrópica en una turbina (proceso 2-3); se condensa reversible e
isotérmicamente en un condensador (proceso 3-4), y se comprime de manera
isoentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial (proceso 4-1).
Con este ciclo se asocian varias situaciones:
1. La transferencia isotérmica dé calor hacia o desde un sistema de dos fases no es
difícil de alcanzar en la práctica, puesto que una presión constante en el dispositivo
fijará automáticamente la temperatura en el valor de saturación. Siendo posible
aproximar bastante los procesos 1-2 y 3-4 a los de las calderas y condensadores reales.
Sin embargo, restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases
limita severamente la temperatura máxima que puede emplearse en el ciclo (tiene que
permanecer debajo del valor del punto crítico, que es de 374°C para el agua). Limitar la
temperatura máxima en el ciclo restringe también la eficiencia térmica.
2. El proceso de expansión isoentrópica (proceso 2-3) puede lograrse por medio de una
turbina bien diseñada. No obstante, la calidad del vapor disminuye durante este proceso,
como se observa en el diagrama T-s de la figura 2.7.a. De ese modo la turbina tendrá
que manejar vapor con baja calidad, es decir, vapor con un alto contenido de humedad.
3. El proceso de compresión isoentrópica (proceso 4-1) implica la compresión de una
mezcla de líquido-vapor hasta un líquido saturado. Hay dos dificultades asociadas con
este proceso. Primero, no es fácil controlar el proceso de condensación de manera tan
precisa como para finalizar con la calidad deseada en el estado 4. Segundo, no es
práctico diseñar un compresor que maneje dos fases.
Algunos de estos problemas se eliminan al ejecutar el ciclo de Carnot de manera
diferente, como se muestra en la figura 2.7b. Este ciclo presenta otros problemas, como
18. la compresión isoentrópica a presiones en extremo altas y la transferencia isotérmica de
calor a presiones variables. Concluyendo que el ciclo de Carnot no se logra en los
dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor.
FIGURA 2.7 Diagrama T-s para dos ciclos de vapor de Carnot.
2.8.3 Ciclo Rankine: El ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor
Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de
Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el
condensador, como se muestra de manera esquemática en un diagrama T-s en la figura
2.8. El ciclo que resulta es el ciclo Rankine, que es el ciclo ideal para las plantas de
potencia de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y
está compuesto por los siguientes cuatro procesos:
1-2 Compresión isoentrópica en una bomba
2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera
3-4 Expansión isoentrópica en una turbina en nuestro caso la fabrica en la que se va a
utilizar el vapor
4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
El agua entra a la bomba en el estado 1 como liquido saturado y se le aplica una
compresión isoentrópica hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del
agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isoentrópica debido a una
ligera disminución en el volumen específico del agua. La distancia vertical entre los
19. estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor
claridad. El agua entra a la caldera como un líquido comprimido en el estado 2 y sale
como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es un gran intercambiador de
calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u
otras fuentes se transfiere al agua a presión constante. La caldera, con la sección donde
el vapor se sobrecalienta (el sobrecalentador), recibe el nombre de generador de vapor.
El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande
isoentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador
eléctrico. La presión y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta
los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. En este estado, el vapor
suele ser una mezcla saturada líquido-vapor con una calidad alta. El vapor se condensa a
presión constante en el condensador, que es un intercambiador de calor, que rechaza
calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor
abandona el condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el
ciclo. En áreas donde el agua es muy valiosa, las plantas de potencia son enfriadas por
aire en lugar de agua. Este método de enfriamiento que también se emplea en motores
de automóvil, recibe el nombre de enfriamiento seco.
El área bajo la curva de proceso en un diagrama T-s representa la transferencia
de calor para procesos internamente reversibles; obsérvese que el área bajo la curva de
proceso 2-3 representa el calor transferido al agua en la caldera y que el área bajo la
curva de proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia
entre estas dos (el área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el
ciclo.
20. FIGURA 2.8 El ciclo Rankine ideal simple.
2.8.3.1 Análisis de energía del ciclo Rankine ideal
Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y
condensador) son dispositivos de flujo estable; por ello es posible analizar los cuatro
procesos que conforman el ciclo Rankine como procesos de flujo estable. Los cambios
en la energía cinética y potencial del vapor suelen ser pequeños respecto de los términos
de trabajo y de transferencia de calor y, por consiguiente, casi siempre se ignoran. De
ese modo, la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa de vapor se reduce
a
)/...()()( KgkJhhwwqq iesaleentrasaleentra (3.2)
La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo, y se supone que la
bomba y la turbina son isoentrópicas. En ese caso la relación de la conservación de la
energía para cada dispositivo se expresa como sigue:
Bomba (q = 0): 12 hhw enbomba, (3.3)
o,
)(, 12 PPvw enbomba (3.4)
Donde,
1111 PfPf vvvyhh @@ .......... (3.5)
Caldera (w = 0): 23 hhqen (3.6)
Turbina (q = 0): 43 hhw salturb, (3.7)
Condensador (w = 0): 14 hhqsal (3.8)
La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de:
en
sal
en
neto
t
q
q
q
w
1 (3.9)
21. Donde, enbombasalturbsalenneto wwqqw ,,
2.8.4 Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine
Las plantas de energía de vapor son responsables de producir la mayor parte de
la energía eléctrica en el mundo, e incluso pequeños aumentos en la eficiencia térmica
significan grandes ahorros en los requerimientos de combustible.
La idea básica para incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potencia es
la misma: aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de
trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza
del fluido de trabajo en el T condensador. Es decir, la temperatura promedio del fluido
debe ser lo más alta posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante el
rechazo de calor
FIGURA 2.9. Diagrama de ciclo de vapor Caldero Pirotubular
2.8.2 Cálculo de un Caldero Pirotubular de 3 pasos
Requerimientos de la fábrica:
Datos:
Presión promedio de trabajo 4 kg/cm2
22. Presión de ingreso Agua 1 kg/cm2
Caudal steam (vapor) 650 kg/h
Temperatura de ingreso Agua 70 °C
2.8.2.1 Estudio de la potencia del caldero:
hKgW
tablasdevalor@0ºCh
SteamMasicoCaudalW
@0ºCh15,44
hhW
HP
s
fg
s
fg
entradasalidas
B
/
.....
....
650
27597
Resolución:
Se realiza el diagrama termodinámico para identificar los estados
Propiedades termodinámicas en el punto entrada
P= 1kg/cm2
T= 70 C
Cpagua= 1kcal/ kg K
hentr = ?
23. kg
kcalh
cp
dtcpdh
oSubenfriadLiquidoEntalpiah
h
Ct
cm
kgP
h
ls
ls
entrada
70
1
70
1
70
0
1
0
2
....
?
º
Propiedades termodinámicas en el punto salida
P= 4kg/cm2
T=
Cpagua= 1 kcal/ kg K
hsal= 653,72 kcal/ kg ver tabla
BB
B
HpHP
Kg
Kcal
Kg
Kcal
Kg
Kcal
h
Kg
HP
..
..
.
15641
275974415
709653650
La potencia de diseño tiene que ser superior a la potencia de trabajo por lo tanto
se toma un 20% mas aproximadamente. 2
50diseñoPot. BHp
2 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de
Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008
kg
kcalh
x
cm
kgP
h
g
salida
9.653
1
4 2
24. Con la potencia de diseño se calcula el caudal masico del vapor de diseño que
puede proporcionar este caldero, se construye con esta potencia para preveer cualesquier
inconveniente en la fábrica.
h
Kg
h
Kg
W
Kg
Kcal
Kg
Kcal
Kg
Kcal
HP
W
hh
ChHP
W
s
B
s
entradasalida
fgB
s
79068789
7072653
2597441550
04415
.
,
,,
º@,
FIGURA 2.10. Esquema de Flujo de Agua y Calor
2.8.2.2 Estudio del cuerpo:
El cuerpo esta formado por:
Coraza
2 Espejos
2 Carretes
2 Tapas
Tubos
25. Hogar
Un caldero equivale a un intercambiador de calor, en donde el fluido caliente circula por
el interior de los tubos y el fluido frió por el exterior de los mismos, la mayoría de casas
constructoras para el diseño de número de pasos del fluido interno le dan tres pasos, y
para el fluido externo un solo paso.
FIGURA 2.11. Diagrama Caldero
2.8.2.3 Estudio de los tubos.
Diámetro.
Para potencias relativamente bajas las casas constructoras recomiendas tubos sin
costuras con las siguientes características:
Esquema del tubo
FIGURA 2.12. Esquema del tubo para caldero
27. La longitud de los tubos se dan por formulas experimentales, en los que cada una
de ellas es una función de la potencia.
La formula de cálculo esta basada en formas experimentales 3
300480 ,, BHPL
mL
HpL
72
30500480
,
,,
Área de cada tubo
2
5110
7206030
mA
mmA
LDA
.
.*.*
**
2.8.2.4 Estudio del área de calefacción.
Esta área tiene parámetros diferentes a los que tiene si el combustible sólido,
este valor es una función de la potencia del caldero, y se encuentra en muchas formulas
dadas por las casas constructoras 4
, la ecuación que se recomienda es:
2
246,23ncalefacciódeArea
004,0465,0ncalefacciódeArea
m
HPB
2.8.2.5 Estudio del número de tubos.
3 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de
Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008
4 Bernal Bolívar, Calculo de Equipo, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca-
Ecuador 2006
29. A) Expansión y Rolado
Es la manera comúnmente utilizada por todos los fabricantes de calderas lo cual permite
el movimiento lineal cuando el tubo se expande. Requiere reexpansión periódica.
B) Expansión, Enrolado y Prossering
Proceso en el cual captura el tubo por los dos lados de la placa tubular eliminando
movimiento linear y la re-expansión periódica correspondiente.
C) Expansión, Enrolado, Prossering y Soldadura
Un proceso para rigidez adicional. Se puede cambiar el tubo sin deformar el agujero.
2.8.2.6 Distribución de los tubos en el espejo.
30. Los tubos en el espejo deben tener una distribución de triangulo equilátero.
= 60,32 mm esta cota constituye el diámetro externo del tubo
Calculo de pt:
Pt= 2 radios * do
Pt=1.25 * 60.32mm
Pt = 75,4 mm.
Calculo de c`:
C`=0.25 * do
C`=0.25 * 60.32mm
0d
31. c = 15,08mm.
En la distribución de tubos x paso se puede aceptar un error del 5% del diseño
2.8.2.7 Estudio del diámetro del espejo
Las casas comerciales que construyen calderos recomiendan Diámetros del
espejo de 1,06 m. para calderos con una potencia de hasta 100 , el espesor es un
criterio particular, pudiendo ser un mínimo de 10 mm de espesor. 5
D espejo= 1.06 m
2.8.2.8 Estudio del hogar.
El hogar es un tubo cuyo diámetro debe estar entre un 40% y 45% del diámetro
del espejo, la posición de este tubo en el espejo depende exclusivamente del diseño, es
decir que se pueda subir o puede bajar a lo largo del eje vertical, de tal forma que se
asegure que sobre el mismo existan dos filas de tubos y tenga el área para acumulación
de vapor6
.
m
espejoiametro
4770,
..
hogar
m1,060,425hogar
d42.5%hogar
Espesor del hogar 10 mm (por determinación de casas fabricantes)
5 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de
ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008
6 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de
ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008
BHP
32. 2.8.2.9 Estudio del área para acumulación de vapor.
Esta área se encuentra en la parte superior del espejo, se denomina como área
de acumulación de vapor; esta altura entre el agua y el domo es de un 20% del diámetro
del espejo.
.,
,,
..%
maltura
maltura
espejodiametroaltura
2120
06120
20
FIGURA 2.13 Cotas de área de acumulación de vapor
2.8.2.10 Estudio del tanque de agua.
Condición principal
Este tanque debe entregar un caudal constante durante 20 min.
31000
68789
m
kgagua
h
kgWS
.
,
Caudal Volumétrico:
33. h
m
Q
m
kg
h
kg
Q
Ws
Q
3
3
7900
1000
790
.
Del caudal total requerido en el sistema, se determina el volumen necesario para
suministrar en 20 min. Tengo:
El volumen del líquido que deber tener el tanque de alimentación (0,263m3
) es
el 70% del volumen total del tanque.
70% liquido
30% vació
Por lo tanto el volumen del tanque de alimentación es:
3
3
3750
70
100263230
mV
xm
V
Tanque
Tanque
,
%
%,
De las dimensiones de este tanque, la relación es 3
d
l
entonces obtenemos:
Relación entre longitud y diámetro
3
2 26323,0 mV OH
3L
36. Las perdidas ocasionadas por los accesorios y longitud de tubería se calculan a
continuación:
L=2,5 para tubería recta
EL 2 x10 =20 (2 válvulas perdidas en accesorios)
1x15 = 15 (1 válvulas check perdidas en accesorios)
EL = 35
537
5235
.
.
E
E
LL
LL
Para determinar el factor de fricción determino
Numero de Reynolds
FIGURA 2.14 Diagrama de Flujo de Vapor
0le.despreciabntepracticame
2
2
1
g
U
0le.despreciabntepracticame
2
2
1
g
U
37. Cálculo de reynols.
6953
10104010
21904
4
23
eR
msNxm
s
Kg
eR
D
W
eR s
.
/.*.*
.*
.
**
*
.
Calculo Velocidad
Cálculo de u
D
Q
u
4
s
m
U
m
s
m
E
U
170
0400
1924
2
2
4
.
.*
.*
Rugosidad relativa
001440
251
00180
.
".
".
D
D
Con la rugosidad relativa y el número de Reynolds, se obtiene el factor de fricción en el
diagrama de Moody.
Cálculo de f en el diagrama de Moody
0380.f
39. Tabla 2.3 Datos de bombas de agua, catalogo Cleaver Brooks
Bomba mercado= 13 GPM
40. FIGURA 2.15 Niveles de liquido y vapor en la caldera
2.8.2.13 Calculo del combustible necesario para la caldera
Parámetros
Combustible Diesel
Poder Calorífico
Densidad
Temperatura 25ºC
Calor que necesito para elevar la entalpía del punto 1 al 2:
kg
kcal7200
3920
m
kg
esS hhWq
kg
kcal69,927entradadeentalpia
kg
kcal653,9salidadeentalpia
e
s
h
h
41. kg
Kcal
q
kg
Kcal
kg
Kcal
h
kg
q
hhWsq
nec
nec
entrsalnec
79461138
709653790
,
).(
)(
Calor que debe dar el combustible:
Cp
hhWs
W
xCpWhhWs
caloricoenergiadebalance
Cp
q
W
CpWq
entrsal
fuel
fuelentrsal
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBLfuel
)(
)(
......
.
kg
Kcal
q
kg
Kcal
h
Kg
q
h
Kg
W
kg
Kcal
kg
Kcal
W
nec
fuel
fuel
fuel
8461138
72000464
0464
7200
79461138
,
*..
.
,
2.8.2.14 Caudal volumétrico del combustible
42. GPHq
galonesapasarparaq
horaporlitrosq
litrosapasarparax
h
m
q
Kg
m
h
Kg
q
W
q
fuel
fuel
fuel
fuel
fuel
fuel
fuel
fuel
...
........./..
........
..........
.
.
.
.
.
5418
753669
669
100006960
920
0464
3
3
Para tener una certeza de que el combustible pueda cubrir cualquier demanda se
coloca un factor de seguridad de entre 200% y 300% por recomendación de
alimentación de las casas comerciales de modo que7
:
40GPHGPHQ
GPHQ
ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBL
0837
25418
.
,
Bomba y quemador con un máximo de 40 GPH
En la bomba no pasa el valor total de 40 GPH sino solamente los 18,54 el resto
de combustible regresa, por el ciclo de retroalimentación, de igual manera sucede en el
atomizador, lo que no se consume retorna al tanque de diario, mediante la acción de las
válvulas selenoides.
Selección bomba.
Considerando las especificaciones de los cálculos si como las de diseño,
consideramos las bambas existentes en el mercado, analizando todos estas exigencias
determinamos la adquisición de la bomba:
Cleaver Brooks SS-H5-3 con una capacidad de 13 GPM con una presión de 70
Psi, garantizándonos el cumplimiento de nuestros requerimientos de diseño.
7 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de
ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008
43. 2.8.2.15 Selección quemador
Características del quemador
Consumo de combustible (para una intensidad calorífica de 1245.76 Mcal/h.m3 en el
hogar) 45.4 lt/h
Capacidad de bombeo de combustible 75.7 lt/h
Potencia del motor de inyección de aire 2HP
Velocidad de giro del ventilador 3450 rpm
Voltaje del circuito de control normalizado 115 V
Características del motor del inyección de aire 3-230-60
Capacidad de inyección de aire 1019.4 m3
/h
Tipo de inyección eléctrica
(Los valores 3-230-60 significan trifásico -230 voltios -60 ciclos).
Principio de funcionamiento
El aire y el combustible se inyectan en el hogar y se inflaman al contacto con la
llama que alimentan. La forma y el posicionamiento de la llama en el hogar son
primordiales para:
Optimizar los fenómenos de radiación y convección;
Reducir las emisiones de NOx, CO y polvos.
FIGURA 2.16 Diagrama Flujo Combustible
44. El quemador funciona con un ligero exceso de oxígeno, 10 a 15% para
garantizar una combustión completa evitando las pérdidas térmicas por los humos.
Durante su utilización, el quemador tiene regulaciones próximas al punto de equilibrio
entre la formación creciente de NOx y de CO garantizando un rendimiento elevado.
Los humos de combustión circulan así por los circuitos de recuperación, tubos
de humos o circulación alrededor de los serpentines para mejorar los rendimientos
energéticos.
Se considera el valor calculado de la bomba un valor máximo de 40 GPH
De lo que se elige el quemador:
POWER FLAME TYPE HAC3-06
Que cumple con las características de caudal volumétrico máximo con un rango
de 45GPM
2.8.2.16 Balance estequiometrico
En la tabla 4 se indican las especificaciones de los aceites combustibles de acuerdo a
normas internacionales.
COMBUSTIBLE
PODER CALORIFICO
SUPERIOR (Kcal/Kg)
PODER CALORIFICO
INFERIOR (Kcal/Kg)
DIESEL No. 1 (KEREX) 10.852 10.233
DIESEL No. 2 (DIESEL) 10.913 10.237
FUEL OIL No. 6
(BUNKER)
10.608 10.046
Tabla 2.4 Descripción de aceites combustibles
Composición Valor Medio
C,%p 86.45
H,%p 10.42
45. N,%p 0.50
Na,%p x l0-4
13.47
K, %p x l0-4
9.65
Ca,% p x l0-4
3.95
Mg,% p x l0-4
2.29
V, % p x l0-4
101. 16
Si+ins,% p x l0-4
80.40
S, % p x l0-4
4,69
Tabla 2.5 Composición Elemental del Fuel Oil Nº 6
Composición química del combustible
Nombre Símbolo %peso Peso molecular
Carbono C 86,5 12kg/kmol
Hidrogeno H 10,4 1kg/kmol
Azufre S 4 32kg/kmol
Tabla 2.6 Composición Elemental del Fuel Oil Nº 6
El aire es la fuente común de oxígeno para la combustión en las calderas; es una mezcla
de oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de vapor de agua, dióxido de carbono,
argón y otros elementos. La composición del aire atmosférico está dado en la tabla 6
AIRE ATMOSFERICO SECO
ELEMENTO VOLUMEN % PESO
MOLECULAR
Nitrógeno 78.09 28.016
Oxígeno 20.95 32.000
Argón 0.93 39.944
Dióxido de carbono 0.03 44.010
Tabla 2.7 Composición aire atmosférico
46. Composición química del aire
Nombre Símbolo % peso Peso molecular
Oxigeno O 21 16kg/kmol
Nitrógen
o
N 79 14kg/kmol
El caudal másico es:
h
kg
W
m
kg
x
h
m
EWs
QxpWs
h
m
EQ
GPHQ
ECOMBUSTIBL 5172
9205187
5187
40
3
3
3
3
3
,
.
.
Calculo del flujo másico del aire para el carbono WC.
22 NOCaire XXW
Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar CO2.
C + O2
12 32 [kg/kmol]
172,5(86%) X [kg/h]
47. h
kg
X
kmol
kg
x
h
kg
x
kmol
kg
X
O
O
6395
12
860517232
2
2
,
).(,
Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire.
Aire
O2 + N2
23 77 % composición del aire
395,6 X [kg/h]
h
kg
X
x
h
kg
X
N
N
41324
230
7706396
2
2
,
.
).(,
h
kg
W
h
kg
h
kg
W
XXW
Caire
Caire
NOCaire
1720
413246395
22
,,
Calculo del flujo másico del aire para el Azufre WS.
22 NOSaire XXW
Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar SO2.
S + O2
32 32 [kg/kmol]
48. 172,5(4%) X [kg/h]
h
kg
X
kmol
kg
x
h
kg
x
kmol
kg
X
O
O
7
32
040517232
2
2
),(,
Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire.
Aire
O2 + N2
23 77 % composición del aire
7 X [kg/h]
h
kg
X
x
h
kg
X
N
N
4323
230
7707
2
2
,
.
).(
h
kg
W
h
kg
h
kg
W
XXW
Caire
Caire
NOCaire
4330
43237
22
,
,
Calculo del flujo másico del aire para el Hidrogeno WH2.
222 NOaireH XXW
Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar vapor H2O.
2H2 + O2
49. 4 32 [kg/kmol]
172,5(10%) X [kg/h]
h
kg
X
kmol
kg
x
h
kg
x
kmol
kg
X
O
O
138
4
10517232
2
2
),(,
Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire.
Aire
O2 + N2
23 77 % composición del aire
138 X [kg/h]
h
kg
X
x
h
kg
X
N
N
462
230
770138
2
2
.
).(
h
kg
W
h
kg
h
kg
W
XXW
aireH
aireH
NOaireH
600
462138
2
2
2 22
h
kg
W
h
kg
h
kg
h
kg
W
WWsWcW
TOTALaire
TOTALaire
HTOTALaire
432350
60043301720
2
,
,
Calculo relación Aire-Combustible
50. Aire seco:
22 NO
Aire
%......
%......
77
23
2
2
H
O
Combustible:
Peso
Hidrogeno ( 2H ) 10%
Carbono (C) 86%
Azufre (S) 4%
100%
Composición
Combustible
Reacción de
combustión
Moles Comburente Gases de
combustión
Elemento %
(Kg)
Oxidación n nO2 Componente Moles
C A C+O2 CO2
(1:1: 1)
CO2 nCO2=nC
H2 B H2+½O2
H2O
(1:½ 1)
H2O nH2O=nH2
S D S+O2 SO2
(1: 1: 1)
SO2 nSO2=nS
nGc=∑ni
Reacción de combustión:
OyHxCONOSHC at 22222612 )(
OyHxCONOSHC at 22222612 763 ).(
Relación porcentual de nitrógeno / oxigeno: 79/21=3.76
51. ).( 222612 763 NOSHC at
ObHSHC 22612 4410586 ..
ObHSHCNOaSHxC 22612222612 4410586763 ..).(
693226
20758612
0121797632
.
..
.*.
bbxH
yxC
aaN
La reaccion queda:
OHSHCNOSHC
ObHSHCNOaSHxC
22612222612
22612222612
69344105867630121207
4410586763
...).(..
..).(
La ecuación de combustión para 1 Kmol de combustible se obtiene al
dividir la ecuación anterior entre 7.20
OHSHCNOHC
dividiendo
OHSHCNOSHC
22612222612
22612222612
135504410112763912
69344105867630121207
...).(.
...).(..
222222612 763130112763912 NOHCONOHC at..).(.
La relación aire combustible se determina tomando la proporción entre la masa
del aire y la masa del combustible:
Para encontrar el porcentaje de aire teórico se necesita conocer la cantidad de
aire teórico, que la determinamos con la ecuación de combustión teórica del
combustible:
ecombustibl
aire
ecombustibl
aire
Kg
Kg
AC
kmolkgkmolkmolkgkmol
kmolkgkmol
m
m
AC
0617
2131212
297640121
.
)/)(()/)((
)/(*).*.(
52. 222222612 763130112763912 NOHCONOHC at..).(.
5185612 ..at
Porcentaje de aire teórico:
taire
realaire
taire
realaire
N
N
m
m
..
..
..
..
%.
.*.
.*.
..
..
..
..
5113
764518
7640121
taire
realaire
taire
realaire
m
m
kmol
kmol
m
m
Se utilizo un 13.5% de exceso de aire durante el proceso de combustión,
existiendo una relación adecuada de A/C que esta determinada por los fabricantes entre
el 10 y 15 % para una combustión completa, en el caso de calderos nuevos.
