Elaboración de un texto teorico sobre calderas

ELABORACION DE UN TEXTO TEORICO SOBRE CALDERAS

CARLOS ALBERTO ASPRILLA CORTES

JORGE ALBERTO CASAS VARGAS

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SANTIAGO DE CALI

CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE

DIVISION DE INGENIERIAS

PROGRAI,IA DE INGENIERIA MECANICA

r -994

ELABORACION DE UN TEXTO TEORICO SOBRE CALDERAS

CARLOS ALBERTO ASPRILLA CORTES

JORGE ALBERTO CASAS VARGAS

Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para

optar al Título de Ingeniero Mecánico.

Director : GUSTAVO EBRATT.Ingeniero Mecánico.

SANTIAGO DE CALI

CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE

DIVISION DE INGENIERIAS

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

t.994

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NOTA DE ACEPTACION

Aprobado por el ComitéGrado en cumplimiento deexigidos por 1aUniversitaria Autónomapara optar al Tí tu Io deIngeniero Mecánico

JURADO

de trabajo delos requisitos

Corporaciónde Occidente

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DIRECTOR

Santiago de Cali, Mayo de 1

DEDICATORIA

A mis Padres: José Antonio y DoraEliza, quienes con su amor ycomprensión siempre han estado enla culminación de mis estudios yme han brindado el apoyo para eIIogro de las metas que me hepropues to .

A Adriana del Pilar que con suarnor y comprensión me motivó asalir adelante.

CARLOS ALBERTO

A la sabiduría y honestidad de miPadre, a los cuidados y pacienciade mi lvladre, y a La colaboraeióny apoyo de mis hermanos debo elinicio a mi vida profesional.

A todos ellos GRACIAS.

JORGE ALBERTO

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TABLA DE CONTENIDO

Pág.

O. INTRODUCCION 1

1. TIPOS DE COMBUSTIBLE Y SUS CARACTERISTICAS 3

1.1. COMBUSTIBLE 3

I.2. COMBUSTIBLE PARA CALDERAS 4

I.2.I. Propíedades de los Combustibles 4

1.2.1.1. Poder Calorífico Superior 4

I.2.I.2. Poder Calorífico Inferior 5

I.2.2. Fórmulas: Poder CaIorífico Superior e Inferior 6

1.3. ANALISIS DE CARBONES 7

1.3.1. Análisis Próximo 7

L.3.2. Análisis Ultimo 7

1.4. CLASIFICACION DE CARBONES 9

1.5. FORMACION DE ESCORIA 10

1.6. COMPOSICION Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL

1.6.1

1.6.1

COMBUSTIBLE SOLIDO

. Humedad

.1. Consecuencias de la Humedad para elCombus t ib 1e

| .6 .'2. Cenizas

1. 6.3. Sustancias Volátiles

L.7. CARACTERISTICAS GENERALES DEL COMBUSTIBLEPARA TODOS LOS TIPOS DE CALDERAS DE PARRILLA

v

t2

15

16

16

1B

20

1R COMPOSICION Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES DELCOMBUSTIBLE LIQUIDO

1. Propiedades del Combustibles Líquidos

1.1. Densidad

| .2 . Viscosiclad

1.3. Punto de Inflamación

I.4 . Destilación

2. Análisis de Combustibles Líquídos

3. Clases de Combustibles Líquidos Empleadosen Calderas

COMPOSICION Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL

Tipos de Tratamientos con Aditivos paraCombustibles Líquidos

1. Degradación del Combustible

2. Oxidación

3 . Crecimient-o de Bacterias

4. Corrosión

Adi tivos

Tratamiento Durante y Después de laCombus t i ón

1. Depósitos

2. Escoria

3. Corrosión

4. Emisiones

5. Depósitos Incrustantes y Corrosión

TRATAMIENTOS PARA CALDERAS QUE OPERAN CON

cARBoN vi

Páe-

22

'23

23

25

25

26

26

2B

29

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39

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1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

B.

B.

B.

B.

B.

R

B.

1.9COMBUSTIBLE GASEOSO

1. 10. IqANEJO Y TRATAMIENTO DE COMBUSTIBLES PARACALDERAS

1.10.1.

1.10.1.

1.10.1.

1.10.1.

1.10.1.

1.10.2.

1. 10.3.

1.10.3.

1. 10.3.

1.10. 3.

1. 10.3.

1.10.3.

1.11.

Pág.

1.72. PREPARACION DEL CARBON 44

1.I2.L. Sistemas de Preparación 44

I.I2. 1 . 1. Sistema de Preparación Separada 44

L.L2.7.2. Sistema de Preparación Indivídual 46

7.12.2. Pulverizadores de Carbón 48

L .1'2 .2 . L . Pulveri zador de Velocidad Media 48

1.I2.2.7.I. Pulverizador de Collar de Bo1as 48

1.I2.2.I.2. Pulverizador de Tipo Rodillo 48

I.L2.2.1.3. Mo1ino de Tubo 49

L.I2.2.2. Pulverizador de AIta Velocidad 50

1.13. CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA PARA LACOMBUSTION DE COMBUSTIBLES PESADOS 50

I.14. FACTORES DE CONVERSION DESTINADOS PARATRADUCIR LA COMPOSICION DE COMBUSTIBLE

1.15

2.

2.1.

t)

2.3.

??

2.4.

9q

2.6.

2.7.

2.8.

2.9.

DE UNA MASA A OTRA

. PROBLEMAS DE APLICACION

TEORIA BASICA DE LA COMBUSTION

COT{BUSTION

CONTROL DEL PROCESO DE COMBUSTION

AIRE TEORICO

1. Defecto de Aire

COMBUSTION INCOMPLETA

EXCESO DE HUMO

CAUSAS DE LA COMBUSTION CON HUMOS

TIRO INSUFICIENTE

CANTIDAD DE AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTIONY PRODUCTOS DE LA COMBUSTION

VOLUMEN Y COMPOSICION DE LOS PRODUCTOS DEcoMBUSTToN

vii

51

51

60

60

63

OJ

66

69

70

70

72

76

79

2.10. ENTALPIA DE LOS PRODUCTOS DE

2.II, ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE

2.T2. PROBLEMAS DE APLICACION

2,73. INSTRUMENTOS DE MEDICION PARA

2.13.1 . Operación del Aparto OrsatCombus t i ón

Páe-

COMBUSTION 83

ESCAPE 86

B6

GASES DE ESCAPE 89

y Análisis de

2.13.1.1. Análisis de l.a l{uestra

2.73.I.2. Recomendaciones

2.t.3.1.3. Preparación de Reactivos para el AparatoOrsa t

2 -13.1.3.1. Para Dióxido de Carbono ( CO?)

2.13.L.3.2. Para Oxígeno (0,,)

2.13.3.3.3. Para Monóxido de Carbono (CO)

2.13.2. Puntos de Toma de Muestras

2.13.3. Test de COI

2.13 .4 . Test de O,

2.13.5. Test de Temperat-ura

2.]-i.6. Test de CO

'2 . L3 .7 . Tes t de Humos

2.13. B. Test de Tiro

3. ESQUEPIAS DE GENERACION DE VAPOR

3.1. QUE ES VAPOR ?

3 .2. POR QUE SE USA EL VAPOR ?

4. BALANCE TERMICO EN LAS CALDERAS, SL] RENDIMIENTOY CONSUMO DE COMBUSTIBLE

90

92

94

94

94

95

95

95

97

100

102

103

104

106

109

109

109

116

116

118

118

4.1.

4.2.t. '>

ECUACION DE BALANCE TERMICC)

CALOR FISICO DET, COMBUSTIBLE

CAPACIDAD CALORTFICA Of. lO MASA APROVECHADAvaaa

Pág.

4.4. CALOR INTRODUCIDO EN EL HOGAR AL EFECTUAREL SOPLADO CON VAPOR 720

4.5. CALOR INVERTIDO PARA DESCOMPONER LOS CARBONATOSDURANTE LA COMBUSTION DE LOS ESQUISTOS I2O

4.6. CALOR APROVECHADO EN EL EQUIPO DE LA CALDERA(Ql ) rzr

.4.6.1. Calor Aprovechado en Ia Caldera paraCalentar Agua

4.6.2. Calor Finalmente Aprovechado en el Equipode la Caldera

4.7 . PERDIDAS DE CALOR CON LOS GASES DE ESCAPE

4.8. PERDIDAS DE CALOR pOR COMBUSTION QUIMICATNCOMPLETA ( Q3 )

4 .8.1. Mezcla Completa Ideal ( Cámara Perfecta )

4 . B .2 . Carga Real ( Quemador ReaI )

4 .8 . 3 . Carga Baj a ( en el Arranque de Ia Caldera )

4.9. PERDIDAS DE CALOR POR COMBUSTION MECANICATNCOMPLETA ( Qi )

4.10. PERDIDAS DE CALOR POR ESTRUCTURAS DEPROTECCION DEL HOGAR Y CONDUCTOS DEGASES DE CONVECCTON ( Q5 )

4.11. PERDIDAS EN FORMA DE CALOR FISICO CONLA ESCORTA (Q6)

4.12. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA

4.12.I. Consumo de Combustible

4.13. PROBLEMAS DE APLICACION

4.74. CONTROL DE LA EFICIENCIA DE LAS CALDERAS

5. TIPOS DE CALDERAS

5.1. CALDERA

5.2. COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR

5.3. ACCESORIOS PARA CALDERASl-x

r27

122

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123

I23

I23

724

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727

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749

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i

5.4. USO

5.5. PRESION

5.6. MATERIALES

5.7 . CONTENIDO DE LOS TUtsOS

5.7 .I. Calderas Pirotubulares

5.7 .2. Calcleras Acuotubttlares

5.7 .2.1. Partes de la Caldera

5.7.2.2. Clasificación

5.7 .2.2.1. Calderas de Tubos Poco Lncl,inados

5.7.2.2.2. Calderas de T'ubos Muy Inclinados

5.7 .2.2.3. Calderas de Radiación

5.7 .2.3. EI Hogar

5.7.2.4. Cuerpo de la Caldera o Domo

5 .7 .2.4 .7. Separador de Vapor

5.7 .2.5. Sobrecalentadores y Recalentadores

5.7 .2. 5. 1. Sobrecalentador

5.7 .2.5.2. Recalentadores

5.7 .2.5.2.1. Generalidades

5.7.2.5.2.2. Clasificación

5.7 .2.5.2.3. Regulación del Calentamiento

5.7.2.5.2.4. Equipo del Recalentador

5 .7 .2 .6 . Economizaclores

5.7 .2.6.1. Clasif icacicin

5.7 .2.6.2. Equipo de1 Economizadot

5.7 .2.7 . Calentador de Aire

5.7 .2.7 .I. Utilidad det Calentamiento del Aire

Pág.

150

152

153

153

154

158

159

160

161

762

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767

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180

5.7.2.tr, 1'J.¡.L.

6. SI

6.1.

6.1.1.

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6.1.1.

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6.2.7.

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6.3.1.

7. TICI

7 .L.

7.L.r.7.I.2.

7.L.3.

71?

7 .2. Temperaturas Límitesdel Aire

Pág

deI Calentamiento181

181

IB2

184

184

de Combustión 184

184

184

186

TB7

t92

l-92

197

198

200

7 .3. Clasificación

7 .4. Colocación

STEMA DE QUEMADO DE COMBUSTIBLE

QUEMA EN PARRILLA

Zonas de Oxidación y Reducción

1. Zona de Oxidación

2. Zona de Reducción

CIRCULACION NATURAL

Características de 1a Tubería

MúItiplo de Circulación

Bases para eI Diseño delCirculación Natural

1. Método de Cálculo delCi rcu lación

Ventajas y Desvencajas de la Quema enParri I 1a

QUEMA EN CAMARA

Tipos de Quemadores

1. Quemadores para Carburante Gaseoso yDesechos de Gases de 1a producción

Ventajas y Desventajas de la Quema en Cánara

QUEMA EN LECHO FLUIDIZADO

Ventajas y Desventajas de la Quema en LechoFIui dízado

POS DE CALDERAS SEGUN ELRCULACION

SISTEMA DE204

204

de Circulación 206

206

Circuito deen Calderas

Circuito de

207

7)

7)

. CIRCULACION FORZADA

.1. Ventajas

212

2l-5

2L5xl-

-1

B.

B.

R

2.2. Desventajas

3. CIRCULACION DIRECTA

TRATAMIENTOS DE AGUA PARA PLANTAS TERMICAS

Páe.

277

220

z ¿r+

¿ /.+

226

226

226

226

2'26

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227

227

'227

228

228

228

229

233

233

¿34

234

235

'l

1.1

CARACTERISTICAS DEL AGUA

. Parámetros que Determinan la Calidaddel Agua

.1. Dureza

.2. Contenido de Sílice

.3. Contenido de Sales

.4. Contenido de Oxígeno

.5. Alcalinidad

.6. P.H.

8.1.1

8.1.1

8.1.1

8.1.1

8.1.1

8.1.1

B .I.2

8.L.2

8.1.2R'r)

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8.I.2

8.1.3

.1.

.1.

.1.

.1.

.1.

)

?

.4.

Problemas que se Presentan en

Corros ión

1. Oxígeno Disuelto

2. Concentración de Iones de

3. Velocidad del Agua

L. Temperatura

Problemas por Picaduras

Problemas por Incrustaciones

Problemas por Fragilidad

Problemas por Arrastre en el

Origen y Comportamiento de lasen el Agua

las Calderas

Hidrógeno

Vapor

Impurezas

8.1.3.1.

8.1.3.2.

8.1.3.3.

Succión de Agua y Aire en los Condensadores '236

Ctrn el Agua AdicionaL 236

Con Product-os de Corrosión 236

xa t-

8.1.4. Iviétodos para l{antener los parámetros delAgua en su Valor Normal

8.1.5. Tratamientos Específicos del Agua para

Pág.

239

Calderas Z4O

8.1.5.1. Tratamientos Típicos de Agua Cruda Z4O

8.1.5.1.1. Coagulación 24O

8.1.5.I.2. Desgasificación 24O

8.1.5 .1.2.I. Principio de Funcionamiento de unDesaireador 242

8.1.5.1.3. Osmosis Invertida 243

B.1.6. Tratamiento Externo deI Agua de Alimentación 244

B. 1.6.1. Precipitación Química 244

8.1.6.1.1. Suavización 244

8.1.6.I.2. Proceso de Intercambio Ionico 244

8.1.6.3. Desmineralización 246

8.1.6.3.1. Térmico o Destilación Zt+6

B. 1.6.3.2. Proceso Químico 247

8.1.7. Tratamiento Interno det Agua deAlimentación para Calderas 249

8.1.7.1. Eliminación de Dureza Z4B

8. 1.7.1.1. Acción de Fosfatos Z4g

8.I.7.2. Sílice 250

8.1.7.3. Tratamiento de Condensados de Vapor 250

8.2. PURGA DE LA CALDERA 25O

9. BASES PARA EL CALCULO AERODINAMICO DE CALDERAS 254

9.1. CALCULO AERODINAMICO 259

10. BASES PARA EL DISEÑO TERMICO EN CALDERAS 273

10.1. CALCULO DE PRUEBA O REDISEÑO DE CALDERA 27g

xt- l_ 1

I0.2. CALCULO DEL HOGAR

11. SISTEMAS DE REGULACION DE CALDERAS

11.1. REGULACION DE LA PRESI.ON DE VAPOR

IL.2. REGULACION DEL COMBIISTIBLE

11.3. REGULACION DEL AIRE DE COMBUSTION

II.4. METODOS Y ESQUEPIAS DE REGULACION DE CARGAY PRESION DE VAPOR

11.4.1. Régimen de Base

11 .4 .'2 . Régimen de Regulación

11.5. REGULACION DEL VACIO (DEPRESION) EN EL HOGAR

11.6. CONTROL DEL SISTEIVIA DE REGULACION DEL AGUA DE

ALIMENTACION DE LA CALDERA (NIVEL DEL DOMO)

T'2. ARRANQUE Y PARAD,,\ DE CALDERAS

12.7. ARRANQUE DE LA CALDERA

12.I.I. Precauciones Antes del Arranque

]-2.1.1.1. Generalidades

L2.1.I.2. Sistema de Alimentación de Agua

72.1.2. Fallas en e1 Arranque

T2.2. PARADA DE LA CALDERA

L2.2.7. Preparación cle una Parada Larga

BIBLIOGRAFIA

Páe.

28I

289

29r

'29r

292

293

293

294

295

295

299

300

300

301

302

307

307

308

311

xiv

LISTA DE TABLAS

Páe.

TABLA 1. AnáIisis Próximo de los CombustiblesColombianos B

TABLA 2. Clasificación cie los Carbones por Rango(ASTM D3BB )

TABLA 3. Comparación <le Datos de Calidad deCarbones Colombianos 11

TABLA 4. Rango de Gravedad API para Fuel OiI 25

TABLA 5. Características Típicas de CombustiblesColombianos para Calderas

TABLA 6. Características de Gases CombustiblesColombianos

TABLA 7. Poder Calorífico Típico de CombustiblesColombianos para Calderas

TABLA B. Temperatura de Fusión de VariosCompues tos

TABLA 9. Factores de Conversión de la MasaCombustible 5 1

TABLA 10. Composición del Aire Seco 72

TABLA 11. Impurezas y Efectos del Agua paraCalderas 235

TABLA 12. Datos Guía para la Calidad del Aguade Calderas 253

TABLA 13. Valores del Coeficiente A Dependiendode la Temperatura de Encaje del Aire 262

10

29

31

JZ

l.')

LISTA DE FIGURAS

Pág.

FIGURA 1. Cambio de la Composición Elemental dela Masa Carburante y del poderCalorífico de los Principales Tiposde Combustible Sólido 5

FIGURA 2. Esquema de Composición del CombustibleSólido 19

FIGURA 3. Esquema Tecnológico de la preparaciónde Combustible Líquido en una planta 24

FIGURA 4. Contenido de Hidrógeno con Base en elFactor de Caracterización Zl

FIGURA 5. Esquema de Suministro de Gas para unaPlanta que Trabaje con Gas Natural 33

FIGURA 6. Red Nacional de Gasoductos 34

FIGURA 7. Campos Productores de Gas 35

FIGURA 8. Areas problema en un Sistema de FuelOil Antes de la Combustión 3g

FIGURA 9. Areas Problema en un Sistema de FuelOil Durante y Después de la Combustión 4L

FIGURA 10. Preparación de Carbón Efectuado enLocal Adyacente a la Sala de Calderas 45

FIGURA 11. Sistema de preparación de Carbón conTolva Intermedia 47

FIGURA L2. Pulverizador de Bolas hg

FIGURA 13. Gráfico O, Versus ROI 6g

FTGURA L4. Determinación Gráfica de la Temperaturade Inflamación y de Combustión 7L

xvi

Pá9.

Efecto del Hollín sobre el Consumode Combustible 75

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

15.

16.

t7.

18.

19.

Diagrama Entalpía de los GasesVersus Temperatura de los Gases

Aparato de Orsat TíPico

Relación entre 02 r C02 Y Exceso deAire

Efecto deI Humo en los Gases, €D laTemperatura de los Mismos, Consumo deFuel y Eficacia de la Combustión

Esquemas Básicos de Generación deVapor

Diagrama de una Planta de Potenciade Vapor Rudimentaria

Circuito de Vapor

Esquemas seneillas de Plantas deGeneración de VaPor

Esquema tecnológico de Produceión deVapor en una Termoeléctrica queTrabaja con Carbón

Generador de Vapor de TiPo Paquete

er Versus Coeficiente de Exceso deALre

83

91

20.

2L.

22.

23.

101

107

LL2

Lt2

113

113

LL4

115

L24

FIGURA 24

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

e4 Versus Coeficiente de Exceso deA|re T26

X qi Versus Coeficiente de Exceso de

Aire r2g

Balance Térmico de una Caldera deVapor I29

Caldera para Calor de Desperdicio l-50

Caldera para Calor de Desperdicio 151

Caldera de Tubos de Humo o Pirotubular 154

Caldera de Caja de Hurno 156xvii

FIGURA 34.

FIGURA 35.

FIGURA 36.

FIGURA 37.

FIGURA

FIGURA

38.

39.

FIGURA

FIGURA

40.

4L.

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

FIGURA

42.

43.

44.

45.

46.

FIGURA

FIGURA,

FIGURA

47.

48.

49.

Caldera Tubular de Retorno

Calderas Verticales de Tubos

Algunos Tipos de CalderasAcuotubulares

Caldera Acuotubular de Tubos PocoInclinados con Recalentador yParrilla Móvi1

Caldera Acuotubular de Tres Domos yTubos de Agua Curvados

Caldera Acuotubular de Tubos MuyInclinados, de Tres Domos r coflRecalentador, Economizador y Equipopara Quemar Petróleo y Bagazo

Caldera de Radiación

Cambio de la Temperatura de los Gasescon Respecto a la A1tura del Hogar deIa Caldera

Domo con Separador

ialdera con Unidad deSobrecalentamiento

Sobrecalentador Colgado

Economizador

Tubos

Calentador de Aire Regenerativo

Cambio en Ia Composición del GasRespecto a la A1tura de la Capa deCombustible

Esquema de Hogar con LanzadorNeumático y Mecánico y la Parrillaen Cadena

Economizadores: a. Integral de FlujoTransversal. b. Flujo Ascendente parauna Caldera de Calor Radiante L78

Calentador de Aire Recuperativo o de

Pág.

L57

de Humo 158

L62

163

163

L64

166

168

169

L70

L7L

176

180

182

185

FIGURA 50.

xvl_r_f_

186

Pág.

FIGURA 51. Quemador Unidireccional en Forma deCaracol para Combustible Sólido

. Pulverizado 189

FIGUR^A, 52. Quemadores de Tipo Ciclón paraCalderas 190

FIGURA 53. Esquema de la Mezcla a la Salida deun Quemador de Caracol 191

FIGURA 54. Quemadores de Cocina de Gas Corrientes 193

FIGURA 55. Quemador de Gas y Nlázux de TipoCoaxial con Suministro Central de Gas L94

FIGURA 56. Método de Combustión en LechoFluidizado 199

FIGURA 57. Fogón con Alimentador Mecánico yParrilla Vibratoria 2Oz

FIGURA 58. Fogón Frimario, Tipo Ciclónico 202

FIGURA 59. Instalación de Quemador para CarbónPulverizado de Fuego Descendente 203

FIGURA 60. Esquema de Circulación Natural 205

FIGURA 61. Esquema del Movimiento del Vapor enuna Caldera con Circulación Natural 205

FIGURA 62. Caldera con Domo de CireulaciónNatural 2O7

FIGURA 63. Circuito de Cireulación Natural enCalderas 208

FIGURA 64. Característica Hidráulica del Circuitode Circulación Natural 2L4

FIGURA 65. Esquema de Circulacíón Forzada 2L6

FIGURA 66. Caldera de Circulación Forzada zLB

FIGURA 67. Principio de Recirculación Forzada deuira Caldera 219

FIGURA 68. Esquema de Circulación Directa 22L

FIGURA 69. Caldera con Circulación Directa 223,, ;1

I xix

Páe-

FIGURA 7O. Solubilidad de l.os PrincipalesParámetros de Sedimentos de Acuerdoa La Temperatura 238

ffbUne 7L. Montaje del Desaireador Térmico: a.De Presión Atmosférica o Elevada b.De Vacío 243

FIGURA 72. Esquema Tecnológico del Proceso deSuavización con Resinas de Na 246

FIGURA 73. Equipo de Evaporación 2.47

FIGURA 74. Esquema del Equipo de Purga 251

FIGURA 75. Esquema de un Sistema de Tratamientode Agua 252

FIGURA 76. Esquema de Tiro Equilibrado en unaPlanta que Trabaja con CarbónPulverizado 256

FIGURA 77. Esquema de Caldera con Sobrepresiónque Trabaja con Gas y Fuel Oil 257

FIGURA 78. Distribución de Presión en el ConductoAire-Gases 257

FIGURA 79. Recomendaciones de Esquemas de AlgunosElementos 264

FIGURA 80. Circulación del Aire y de los Gases deCombustión en un Fogón de TiroEquilibrado 27L

FIGURA 81. Dependencia entre el Calor RecibidoPor Radiación y el Calor Inverso 284

FIGURA 82. Influencia del Angulo s y IaDistancia entre Tubos en el Calorque Llega a las Pantallas de Radiación ZBs

FIGURA 83. Influencia del Angulo u y La

Separación entre Tubos en eI Calor deRadiación 286

FIGURA 84. Principales Canales de Regulación deVariables 29O

FIGURA 85. Bloque Caldera- Turbina Zg4xx

Páe.

FIGURA 86. Regulación de Vacío 295

FTGURA 87 ' fiLTi::'uÍ"uS"llíl'uS"i'i*:;:H'á;a 1a Caldera 296

FIGURA 88. Esquema de Regulación del VaporRecalenta.do 298

FIGURA 89. Tubería Común: a. De Vapor. b. DeBloque 305

FIGURA 90. Esquema de Caldera con Equipo deEnfriamiento y Reducción de Presión 306

xx1

REST'IIEN

E1 presente texto guía ofrece los fundamentos teóricosbásicos para la capacitación acerca de las calderas de

Vapor Industriales y sus Equipos Auxiliares.

Para el desarrollo del proyecto

organízación y clasificación de

Plantas Térmicas dictados por elademás del material investigado

se hizo una recopilación,los diferentes cursos de

Ingeniero Gustavo Ebratt,sobre el tema.

El texto incluye temas tales como: combustibles,combustión, esquemas de generación de vapor, balance

térmico en calderas, tipos de calderas, bases para erdiseño térmico en las calderas, etc. , los euales se

presentan en forma clara y concisa 1o que facilita su

comprensión a las personas que 1o consulten.

xxl-1

0. INTRODUCCION

Más del 50% de Ia energía que se consume en el sector

Industrial se emplea en la producción de vapor para

múltiples usos y aplicaciones. Es de entender que lademanda de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos es

enorme, dando como resultado unas inversiones cuantiosas

que tienen una gran incidencia en el costo final de los

productos acabados o servicios como es el caso de las

Centrales Termoeléctricas, Equipos de Proceso, etc.

Mediante la aplicaeión de buenas técnícas de operación,

control y mantenimiento de las calderas'es posible reducir

consíderablemente los consumos energéticos básicos con los

respectivos ahorros de dinero, vida útil de los equipos,

mejor control de efectos ambientales y desde luego

conservar por más tiempo nuestras ya limitadas reservas de

combustibles.

En una Planta Térmica la energía eléctrica se genera a

partir de la energía quÍmica de que disponen los

combustibles, y la combustión se reaTj-za en el hogar de la

2

caldera. Un grupo generador de vapor de agua o caldera es

una combinación de aparatos que puede constar de cualquiera

o de todos los siguientes equipos o el necesario para

quemar eI combustible : eámara de agua (domos),

sobrecalentadores de vapor, atemperador (dispositivo para

controlar las temperaturas de vapor), economizador,

precalentador de aire, etc. Todos estos equipos combinados

con el empleo de buenas técnicas de operación y diseño

influyen notablemente en la eficiencia final de las

calderas.

Cada uno de estos aspectos Jr otros se desarrollaran de una

manera más detallada en el transcurso de los capitulos.

1. TIPOS DE COMBUSTIBTE Y SUS CARACTERISTICAS

1. 1. CO¡IBUSTIBLE

Un combustible puede definirse como una sustancia cuyo fines principalmente producir energía calorífica alcombinarse químicamente con el oxígeno V formar productos

de Ia combustión a una alta temperatura.

La sustancia orgánica que se usa como carburante durante

su quema no solo ha de desprender calor. Su

aprovechamiento debe ser económicamente racional en las

condiciones dadas, por consiguiente, é1 concepto de

"combustible" es una categoría no solo técnica, sino

también económicd,. y los eonceptos acerca de éste varían a

medida de que se desarrolla la técnica.

En el presente capitulo se examinan los combustibles

orgánicos que se usan en la Industria y Ia Energética. De

acuerdo con su estado, estos se dividen en: sólidos,líquidos y gaseosos ¡ V según el procedimiento. para

obtenerlos, en naturales y artificiales.

4

L.z. cüMBusfrBtES PARA cer,üühes

Una caldera puede quemar una gran variedad de eombustibles'

desde el gas natural hasta materias de desecho.

Los combustibles más comúnmente empleados en calderas son:

Combustibles Sólidos: Carbón, desechos de madera, bagazo,

basuras.

Combustibles Llquidos: Fuel oil No. 6 (A.C.P.M), fuel oil

No. 2, y en el interior del país e1 llamado crudo de

castilla.

Combustibles Gaseosos: Gas natural, propano' butano.'

L-2.L. Propiedades de los Combustibles. Pata cualquier

tipo de combustible es importante conocer su poder

calorífico o calor desprendido por la combustión de una

cantidad unitaria (masa o volumen) de combustible. Puede

ser de dos tipos:

L.2.L.L. Poder Galorífico Superior (Bruto) HIIV o Qs-

Gene.ralmente se determina en el- laboratorio utilízando una

bomba de oxígeno. Considera el agua inicial del

combustible y la formada en la combustión, en eI estado

líquido y a la temperatura de ensayo.

Se representa por las letras HHV y se reporta en MJ/Kg

KJ/Kg. Entonces, el poder calorífico superior indica

cantidad de energÍa calorífica que entrega el carbón en

reacción de combustión completa.

I.2.L.2. Poder Calor Inferior (Neto) LIIV o ei. puede

obtenerse restando aI poder calorífico superior eI calorlatente del agua presente al final de la conbustión.

Se representa por las letras LHV o Qi y se reporta en KJr/Kg

ó MJ/Kg. La Figura 1, ilustra el camblo de composicíón

elemental de la masa carburante y del poder caloríficoinferior de los principales tipos de combustible só1ido.

5

ó

Ia

su

c,x d,% H',96 Vollll.., '6

¡Lc.o 4-*--50 42 0 E5 | 9000 t 7000

IIADERA

TURBA||--IF-r-I t__lIHL E:---

H=

(;ARSOil PARDO

CABBONDEPIEDRA

ANTRACITA hJHH93 2 2 ¡f 34000 87000

Cambio de laCarburantePrincipales

Composición Elemental de la Masay del Poder CalorÍfico de 1osTipos de Combustible Só1ido.

FIGURA 1.

6

I.2.2. Fórmulas: Poder Calorífico Superior e Inferior- En

los dispositivos técnicos el agrta habitualmente Se evacua

en forma de vapor junto con los productos de combustión,

por eso la más de las veees Se operan con el calor inferior

de combustión de la masa de trabajo Qit, para cuya

determinación se tiene en cuenta el gasto de calor pata

evaporar el agua que se forma durante la quema del

combustible. Puesto que un kilogramo de hidrógeno produce

un su combustión nueve kilogramos de agua y la

condensación de un kilogramo de vapor a La temperatura de

20"C, cerca de 2.5 MJ de calor' entonces' en forma

aproximada se tiene:

Qrt = Q¡' * 25 (9¡¡r + wtl (1.1)

Los valores de Ht y Ílt representan eI contenido de flidrógeno

y humedad en porcentaje;. Q poder ealorífico en KJ/Kg. La

dependencia entre el calor de combustión (en MJ/Kg) de un

amplio número de sustancias orgánicas y su composición

elemental (en %) Ia ilustra bien la fórmula de D.I.

MENDELEIEV:

e! =0.34er+j-.03Ht-O.i-l (O,-^9c') -O.O25Wz (1.2)

El calor de combustión de un carburante gaseoso se refiere

ordinariamente a 1m3 de gas seco (el llamado calor inferior

de combustión de Ia masa seca) en condiciones normales y se

calcula aprovechando eI calor de combustión de sus

7

componentes (en KJ/m3) que figuran en calidad de 1os

coeficientes en la siguiente fórmula, siendo multiplicadospor cien:

Qrd = 358. 2 eH'+637 .5 e2H6+gL},5 esíe-590 .6 CzH4+7 tt.7 C#^

126.4CO + L08.0 Hz + 234HzS

Aquí CH4, CIHó, etc., son los componentes

del gas en tanto por ciento de1 volumen.

(1.31

correspondientes

I..3. ANALISIS DE CARBONES

Dos son los tipos de análisis comúnmente empleados para

carbones:

1.3.1. Análisis Próximo- rncruye los siguientes términos

como porcentajes en peso: humedad, material volátiI,cenizas y carbono fijo. Se acostumbra incluir es este tipode análisis el porcentaje en peso de azufre y el Qs que se

efectúan por separado. En la Tabla L, se muestra elanálisis próximo de los combustibtes colombianos.

L.3.2. Análisis ultimo. se denomina también composición

eremental. rncluye el porcentaje en peso de los siguienteselementos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre,también se incluye el contenido de cenizas y humedad libre.

8

TABLA 1. Aná1isis PróximoColombianos.

1os Combustibles

h.omH

q¡[c[$ -fAJAs H;H'AD T CHIru T TTTT¡IAI, CIE|N|}

tü.tilt r HJo rAZürH mU fl,ñIt.f,tfiU

CAIÍIXIEC(I

$t[tt0r

I Cerrejón

2 [a Jagua de Ibiricd3 San Jacinto

4 Ciénaga de 0ro

5 Urabá

6 San Jorge

7 Taraza-Río llan

I Puri - Cacerí

9 Anagá - Sopetrán

11

2 ,4-10. 6

I .0-11 ,9

0.9

li-20l3-19

3. i-11.4

Riosucio 2.4

Quinchia 1.3-6,9

Tadé 0.03-2,8

Catatunbo

Zuiia 1.4-9,9

Panplona Doña Juana 0.5-10

Ioledo 0,5-1.2

üutiscua

Párano del aluorzadero 1.8

l{iranda - llolagavita 0.8

san I'icente lebríja 0,1-1.i

landázuri 0,8-2

Chiunocla - Jericó

Tunja Duitana 2,2-1.,6

a) Guachetá Sanaoá

b) Cogua - Guachetá 0.1-6,4

Sueva laguna ]a Tota 5.27

[a Bolsa - Chocontá 2,4-4,8

26 Río Frío 6-1

21 Pubenza Dindal 1,73

28 Subachoque-la Pradera 1.3-1.6

29 Pusagasuga - EI Salto 1,6-2,6

30 Guatiquía

31 Territorio Vásquez

32 ftnbo Suarez

33 Suarez Dinde

34 llerc¿deres

1.6

1,4-1.7

I . 8-13. IIN

;-;,3-li

1.2-6,2

1.8-4,3

8,2-15

2 , 4-11 .3

I .8-10

l, /-tu1,2-3 , 7

8.0

4 ,4-58

2-r26-r0. 7

4-5 .8

5-14

2 .4-32 . I0. 0J

3-7. I

4,3-6

r.7-7.3

6-7 ,3

5.5-6

30

12.2-53. I

34.39

18 , s-39 ,8

38 .6-46 .3

I+2.5

3l-40

32'40

29 .7-47 . 9

30. r-42.2

20 ,6-35 , 7

4t,6-ü,7

30-43

31-38

31,5-4i,2

32-38

3l ,5

14,v-J4.J

4-18

36-45

38-54

2ú-38

20-38 .4

38-59

33-40

2t,6-22.2

2 l-44 .8

3l-34.6

3i-38

28

22 , ó-38

65-60

3l-58

38 .6-44 ,2

'11

^;-; ^J4.4J

41.9-59.2

36-59

n-64,345 ,3-5 1, 5

59-61

40-57

48-68

92, 5

60

3[.1-72.r76-90

44-51

31-52

48-66

45 , 7-75 ,6

43-55

il-i4,652.3-75 . 5

60-62

52 ,3-53 , 5

_:_-

0.35-r 7.0-8.0

0 .2-4 ,0 4 .0-7 .4

4 ,4-8 ,3 5 .0-5.9

3.96 7. I

5. 1-5. I5.0-5 , I

0.4-1,2 5.1-ó,3

4.5-7,0

5. 5-7 .0

3-3.5 i. I

0,6-1,7 7,5-8,1

0,3-6,0 7,2-8.5

0.6-2,3 7,8-8,4

5.5-é,5

0,6 8.2

0.65 7,8

0.6-ó,6 4.4-8.2

0.6-1,2 7.0-8,0

0.8-13 7.4-8.0

l-1,2 6.1-7,2

0.5-1.2 6,0-8,0

0.3-3,0 5,4-8.5

1.10 6.9

0.5-1.8 6.8-7.5

0.4-2.4 7.3-7,8

0.7 5.ó-8,2^r ^^

ttt^u.0-u., /./-t,t0,5-0,7 7,0-7,3

1,2-4.8

Bituninoso

Bituninoso

Subbituninoso

Bituninoso

Subbituninoso

Subbituninoso

Subbituninoso

Bitunoso

Subbituninoso

Bituninoso

Bituninoso

Bituuinoso?

Subbituninoso

Bitunoso

Bituninoso

Subbituninoso

Bitunnoso

Subbituninoso

SeniantracitiAntracítico

Subbituninoso

Bitunoso

Bituninoso

Seniantraci

Bituninoso

Subbitr¡nonoso

Bituninoso

Bituninoso

Bituninoso

Subbituninoso

Bittuoso

Bituninoso

Subbituninoso

Bituninoso

Bituninoso

Bituninoso?

Subbitminoso

Bitunoso

L

1l

t2

l3

l4

l5

l6

t7

l8

l9

20

2l

23

24

25

---- Lignitos

Fuente: NIÑO RAFAEL. Tablas de Combustibles Golombaanos.

9

1.4. CLASIFICACION DE LOS CARBONES

Los carbones se clasifican con objeto de identificar su uso

final y también para proporcionar información útil para

especificar y seleccionar el equipo de manejo y quemado, y

en el diseño y disposición de las superficies de

transferencia de calor.

una forma de clasificar el earbón es por rango, €s decir,de acuerdo con el grado de metamorfismo o alteraciónprogresiva, en la serie natural desde el lignito hasta laantracita. En algunas clasificaciones el criterio básico

es el contenido de carbono fijo y los varores caloríficos,carculados, consíderándolos ribres de material mineral.

En el establecimiento del rango de los carbonesr €s

necesario utirízar información que muestre una variaciónapreciable y sistemática con la edad. para los carbones

más viejos, un buen criterio es "carbón fijo seco y librede minerares o materiar volátir", sin embargo, este valorno es adecuado para designar el rango de los carbones más

jóvenes. un medio confiable es clasificar "KJlKg delcarbón libre de material mineral húmedo" o valor caloríficoque varía poco en los carbones más jóvenes.

La Tabla 2, muestra Ia clasificación de

rango (ASTM D388) y en la Tabla 3,

los

se

carbones por

hace una

Univctsidad Aut0noma Ce Occidenle

SECCION BIBLIOl E(jA

10

comparación de calidad de carbones colombianos.

TABLA 2. Clasificación de los Carbones por Rango (ASTM

D38B ) .

I,IüINS D[ Gil¡fl0IIJ0, r F$E SECA

I,I!T[ DE TAÍIIITrrüExArl

I,IIIÍIS IE HIITIA I,ITIÍIS DE TTP{}X

t0l¡TlL, t (mSE .AIíIIIFIO' c¡Ugr

$EC¡l, l,El[ D[ (X¡lS[ ilIAA' LIIIE

rArlxil ilxElil.) l¡E ürruA ilrHAt)

flUTl¡

Igual a, o

rat0r qüe Hlr seIgul a, o

l¡t0r qüe für $e

l4

31

Igual r o

rator ss reillr $rc

Garácter

aglmrante

l{o Agloner.

l{o Agioner,

Conún aglon,

Conún aglon.

Conún aglon,

Conún aglon.

Couún aglon.

Aglonerante

No agloner,

l{o agloner.

l{o agloner,

llo agiener.

l{o agloner.

l.üeta-anIracita

2,Antracita

3. Seniantracita

lLBIItIlfitl0S0 LCarbónbitr¡ninoso

volátil bajo

2,Carbón bitunínoso

volátii nedio

3.Carbén bituuinoso A

volátil alto4,Carbón bituninoso B

volátil alto5.Carbtún bituuinoso C

volátil aito

l.tignito A

2.l,igrito B

'tL

96

78

69

86

78

69

.L

8

J.¡

IILSUBBITAüI- l.Carbón A subbitaninoso --l{0S0 2.Garbón I subbitauinoso --

3.Carbón C subbitaninoso --

7780

tt4nilLU

6380

5830

5830

5280

4610

tr:l

7780

30232

ó380

6380

5830

5280

4ó10

3500Il|.tIGilITiCO

nte: nua nten miento ustr ÍlL, omo

1.5. FORMACION DE ESCORIA

Puede considerarse la escoria como una masa dura de ceniza'

carbón fino y cenizas fundidas, qrte obstruyen las parrillas

de la caldera y reducen el paso de aire. La formación de

escoria es causada entre otros por los siguientes factores:

TABLA 3. Comparaeión de DatosColombianos.

11

de Calidad de Carbones

PARAUETROS CERREJON ZOI{A CTffDINAIIARC,AZONA I{ORTE CENTRO BOYACA

NORTE DE ANTIOQUIASANTAIIDER

Humedad (%)

Cenizas (%)

Vo1áti1es

HHv (Btu/lb

9.2

8.0

34.9

1 1900

8.2

8.3

34 .0

12200

9.0

16 .9

26.3

1 1200

9.0

8.2

35 .7

12500

8.8

12 .3

36 .4

9800Fuente: "lJl_vl_sl-on AnáIj-sis y Proceso deI Carbón".

CARBoCOL,1984.

1. El punto de fusión de las cenizas mínimo aceptable

es de 1300"C, por debajo de este valor es propenso a

formar gran cantidad de escoria.

2. El mayor espesor del lecho puede crear condiciones

reductoras. Los sulfuros del hierro, de bajo punto de

fusión, no pueden oxidarse y formar óxidos de hierro de

un alto punto de fusión.

3. La eeníza fundida o blanda se adhiere más fácilmente a

las superficies calientes que a las frías y en

consecuencia un enfriamiento con agua previene este

fenómeno.

4- Los carbones menudos y sucios con alto contenido de

hierro y azufte son más propensos a producir escoria.

t2

1.6. COMPOSTCTON

COMBUSTIBLE

Y CARACTERISTICAS

SOLIDO

PRTNCIPALES DEL

Los combustibles sólidos minerales (a excepción de los

esquistos ) son produetos de deseomposición de la masa

orgánica de las Plantas.

El más joven de estos combustibles es la turba que

representa una masa densa producto de la descomposición de

restos vegetales de los pantanos. Le siguen por su "edad'f

los lignitos que tienen el aspecto de una masa homogénea o

térrea que en el caso de una permanencia prolongada al aire

se oxida parcialmente "se erosiona" y se hace polvo. Luego

siguen los carbones minerales que tienen, Pot 1o general

una resistencia mecánica elevada y una porosidad menor.

La masa orgánica de los carbones más viejos, de éstos la

antracita, han sufrido mayores cambios y se compone

aproximadamente del 93% de carbono. La antracita se

destaca por su alta dureza.

El combustible

parte en elpequeña, pero

frecuencia sus

combustible.

duro renovable es Ia

balance energético

en algunas regiones

desechos ) todavía

madera. Hoy en día su

mundial es sumamente

La madera (v con más

se usa en calidad de

13

Las propiedades del combustible se deben a su composición

en estado seco y sin cenizas (se designa con el índicerrdaf rr ) en el cual se incluyen los elementos que forman lamasa orgánica del combustible y el azufre de piritas.que se

que se quema junto con la masa orgánica.

Puesto que Ia composición química del combustible sólido es

complicada y ordinariamente desconocida, esta se

caracteriza por el contenido en masa de los elementos que

la forman, €D tanto por ciento, eu€ se determina mediante

análisis elemental.

Cüt + ¡7dat * ¡daf * 5f;, = lOOt (1.4)

Donde S^ : Contenido de azufre combustible.

En un combustible orgánico 1o que propiamente dicho entra

en ignición es carbono, hidrógeno y azufre. Con el aumento

de la edad de1 combustible crece el contenido de ,carbono

(desde 4O% en la madera hasta 93% en la antracita) y el del

hidrógeno algo disminuye del 6"/" aL 2%.

El oxígeno aI igual que los demás elementos constitutivosen estado seco sin cenizas se encuentra en forma de

compuestos orgánicos complicados. Cuanto mayor cantidad de

oxígeno contengan éstos tanto mayor será la parte de

L4

hidrógeno y carbono del combustible que estará químicamente

ligado con aquél, es decir, €D realidad ya está quemada y

tanto menor será la cantidad de calor desprendida durante

la combustión por uni-dad de masa. Con el aumento de la

edad del combustible odaf disminuye desde el 42% en Ia

madera hasta el 2% en la antracita.

Cuando el carbono se quema por completo se forma anhídrido

carbónico (CO2) relativamente inofensivo y se desprende

32.8 MJ de calor por L Kg de carbono. Cuando el proceso de

combustión se desarrolla incorrecto (o sea con escasez de

aire), el producto de combustión es el monóxido de carbono

CO, muy tóxico, y sé desprenden solo 9.2 MJ de calor.

En el caso de la combustión del azufre se forma anhídrido

sulfuroso SOI tóxico (en pequeñas cantidades) y anhídrido

sulfúrico SO, aún más tóxico. Su desprendimiento junto con

los productos de 1a combustión contamina 1a atmósfera

ambiente. La eantidad de azufre que contiene la masa

orgáníca del combustible (el llamado azufre orgánico todtt)

no depende de la edad del carbón, es diferente en carbón y

en carbones de distintos yacimientos.

La cantidad de azufre de piritas Sdtfoi, depende de la

composición de la parte mineral que puede contener pirita

de hierro FeS2 y pirita de Cobre CuFeSr.

L5

EI contenido de nitrógeno en los diferentes tipos de

combustible sólido, encontrándose este en estado seco y sin

cenizas, habitualmente es del orden del L% aL 2% según Ia

masa. A pesar de su contenido tan pequeño, el nitrógeno es

un componente muy nocivo puesto que en hogares de

temperaturas altas se forman los óxidos NO y NO, altamente

tóxicos (estos se forman también a partir de nitrógeno

atmosférico, pero en menor grado).

El combustible en la forma en

las unidades técnicas r s€

funcional (índice rf r'r ).

Forman parte de éste

constituyen una carga

que se encuentre, se quema en

caracteriza por su estado

la ceníza (A) y La humedad (1't) que

inútil del combustible:

Q' + Ht + Or +IV¡ +.5r + Ar + Wt = L00t

cenizas se calcula fácilmente conociendo

funcional de la relación evidente:

(1.s)

El contenido de cualquier elemento Edaf en estado seco y sin

Er en estado

.ger(1oo - wr - Ar) = l.oo.Er

1.6.1. Humedad. Es else halla en equilibrio

agua que contiene

con Ia humedad del

(1.6)

eI carbón y que

medio ambiente.

16

La humedad de1 combustible se detqrmina de acuerdo con los

estándares estatales mediante el secado de una porción

secada de 105'C a 110'c. Se usa también el procedimiento

aeelerado de determinar La humedad, secando combustible a

160"C. La humedad máxima en estado funeional llr aLeanza

un 50% y más, y por ella se determina la conveniencia

económica de usar dicho material eombustible y Ia

posibilidad de quema del mismo.

Los combustibles presentan humedad interna y externa. La

interna está relacionada con uniones coloidales y

moleculares del combustible. La humedad externa está

relacionada con el proceso de explotación y transporte.

1.6.1.1. Consecuencias de la Humedad para el Combustible.

Las principales consecuencias que se pueden presentar son:

1. Disminuye el poder calorífico, a mayor humedad menor

porcentaje de carbono e hidrógeno.

Dificulta la quema del combustible.

Aumenta los gastos de1 combustible.

4- Aumenta el gasto de energía de los ventiladores.

2-

3-

L.6.2. Cenizas. Son material no combustible contenido en

L7

el carbón. Las cenizas incluyen las impurezas minerales

traídas por el agua o el aire en período de formación de

los estratos del combustible o simplemente las partículas

de rocas arrancadas junto con éste durante la extracción.

Una cantidad pequeña de impurezas minerales (no más del L%

al 2%) forman parte de la composición de las Plantas a

parXír de las cuales se formó el eombustible.

AI quemar el combustible en estados seco, su parte mineral

también sufre transformaciones que dependen de las

condiciones de la combustión.

El contenido de cenizas en un combustible en estado seco Ad

se determina mediante la calcinación a una temperatura de

800"C a 825'C (500'C para combustibles líquidos) de una

muestra secada hasta que termine la reducción de su masa.

El eontenido de cenizas de La masa de trabajo se calcula

según la fórmula:

100Ar = (roo - tÍ'lAd (r.7 )

De aeuerdo con las normas sanitarias existentes después de

la quema de1 combustible es necesario recoger las cenizas

que se forman y transportarlas a las escombreras 1o que

complica y hace más cara la producción. Estos suelen ser

algunos tipos de combustible duro (en primer lugar la

18

madera, La turba, los carbones

contenido de cenizas en estado

de algunos estratos) cuyo

seco Ad no supera el Lo%.

EI valor máximo de Rd aLcanza el 50% y más, puesto que la

mayor parte de cenizas no están vinculadas con la masa

orgánica.

Al calentar el combustible sólido sin acceso de1 airer su

masa orgánica se descompone a consecuencia de la formación

de gases, vapores de agua y alquitrán y residuo que

contiene carbono.

1.6.3. Sustancias Volátiles. La cantidad total de

sustancias voláti1es que se desprenden aumenta con el

ascenso de la temperatura y la duración.del proceso. Este

proceso termina en 1o fundamental entre 700'C a 800'C.

E1 rendimiento de los volátiles ydaf expresado en

porcentaje, en estado seco y sin cenizas se determina

calcinando un gramo de combustible en un crisol cerrado a

850'C + l0oc durante siete minutos. El rendim:i,ento de los

volátíles es una de las características más importantes

del combustible y decrece con el aumento de su edad.

Cuanto mayor sea eI rendimiento de los volátiles, es decir,

cuanto mayor sea la cantidad de masa seca y sin cenizas que

Se t,ransforma en gas combustible durante el calentamiento

tanto más fácil será encender este combustible y tanto más

19

fácil mantener su quema estable.

La determinación del contenido de cenizas, de la humedad

de1 rendimiento de los volátiles y del calor de combustión

constituye el contenido del llamado análisis técnico de

eombustible. A veces éste incluye también el contenido

del carbono no volátil llamado también residuo no volátilsin cenizas (NV), al que teniendo en cuenta, por ejemplo su

estado seco sin cenizas r €s igual ai

(rrv)yt) = (too - vaar¡ ¡

La Figura 2, muestra un esquema

combustible sólido.

HUMEDAD

EsquemaSolido.

(1.8)

de composición de1

SUSTANCIAS VOLATILESPARTE CARBURAT\¡TE PAFTE QUE NO SE

VAPOR DEAGUA

RESTDUOSsoltDos

MASA ORGANIGA

MASA CARBURANTE

FIGURA 2. de Composición de1 Combustible

20

I.7. CARACTERISTICAS GENERALES

LOS TIPOS DE CALDERAS DE

DEL COMBÜSTIBLE PARA TODOS

PARRILLA

Humedad. Aceptan un amplio rango, aunque el máximo

recomendable es de L2%.

Materias Volátiles. Aceptan amplio rango y se pueden

quemar, mezcLas y hasta finos de coque, Sí se requiere

quemar materias primas como la antracita o el lignito(carbón de color pardo negruzco, el más joven de los

earbones y en consecuencia de bajo poder calorífico por

su Eran contenido de agua), solamente son necesarías

ciertas adaptaciones en el diseño.

Cenizas. Exceptuando la caldera de parríLLa de

alimentación ascendente, los demás tipos, aceptan

carbones con un máximo gue va de un L2% a u¡ L8% y en

algunos casos más.

Poder Aglutinante. Carbones con un alto poder

aglutinante (como 1os medio volátil)' no son aceptables

solos, pero si en cierto grado de mezclas. Las calderas

más flexibles son las de parrilla móvil. Todas pueden

aceptar carbones con algo de poder aglutinante.

Granulometría. Por 1o general no aceptan un alto

contenido de finos bajo 3 mm, siendo el valor máximo

recomendado un contenido

las calderas de parrilla

45% bajo 3 mm.

2L

del 20% bajo 3 mm exceptuando

móvil que aceptan entre 35% y

Indice de Hardgrove. Este índice es especialmente

importante pata carbones térmicos que van a ser

sometidos a un proceso de molienda, pues es un

indicativo del grado de facilidad que el earbón presenta

a dicho proceso.

Carbones con índices de Hardgrove superiores a 7O, son

carbones muy pulverizados que tienen el inconveniente de

desintegrarse fácilmente, inclu,so en los procesos de

manejo, carga, descarga, etc., con el inconveniente de que

pueden producirse finos en exceso que alcanzan algunas

veees a causar atascamiento en las tolvas.

El límite inferior del índice de Hardgrove está entre 48 y

43 dependiendo del poder ealorífico, pero para índices

menores de 45 la dificultad de la molienda es tal que es

posible que afecte Ia capacidad de molienda llegando a

significar una reducción en la carga de la caldera y un

mayor trabajo para la trituración.

En eI caso de las calderas de parrilla el índice

Hardgrove no tiene mucha importancia porque eI carbón

hay que pulverizarlo (1o mismo eI índice de abrasión).

de

no

22

1.8. CO}IPOSICION Y CARACTERISTICAS

COITIBUSTIBLE LIQUIDO

PRINCIPALES DEL

Los principales combustibles 1íquidos son derivados deI

petróleo.

El petróleo crudo se calienta de hasta 300'C y 370oC,

después de que los vapores obtenidos se separan en

fracciones que se condensan a diferentes temperaturas tcond:

gas lícuado (rendimiento cerca del L%); fracción de gasoil

(cerca del L5%, tc'n = 30oC...180'C); la de Kerosene (cerca

del I77"; tcond = 180oC...350'C). El residuo líquido que

comienza a hervir a 1a temperatura de 330'C a 350'C se

1lama mazút ( fuel oi1 ) . Las fracciones indicadas sirven de

materia príma inicial para obtener lubricantes y

carburantes para motores de combustión interna o para

instalaciones de turbina a gas.

Una gran cantidad de mazút (con ciertas adiciones) se

utiliza en calidad de combustible. E1 mazút representa una

mezcla complicada de hidrocarburos 1íquidos, €o cuya

composición entran en 1o fundamental carbono (Cr = 84% al

86%') e hidrógeno (Hr = 10% al Lz%'t.

Los mazutes que se obtienen del petróIeo de una serie de

depósitos petrolíferos pueden contener mucho azufte de

hasta 4.3%, 1o que implica sensiblemente la protección del

de los efectos

23

de laequipo y del medio amb j-ente

combustión.

El contenido de cenizas en el fuel oil no

O.L4%, mientras que el contenido de agua

mayor del L.5%.

ha

no

de superar eltiene que ser

Los compuestos de vanadio, níqueI, hierro, y otros metales

forman parte de las cenizas por 1o que estas se usan con

frecuencia en calidad de materia prima para extraer, por

ejemplo, €1 vanadio.

La Figura 3, muestra eI esquema tecnológico

preparación de combustible líquido en una Planta.

1.8.1. Propiedades de Combustibles Líquidos. Desde elpunto de vista práctico solo importa conocer los elementos

y la proporción en que intervienen en la combustión. Lo

anterior es posible mediante la determinación de ciertaspropiedades físicas comunes, tales como !

1.8.1.1. Densidad. Puede expresarse en dos escalas. La

"gravedad específica" denominada por la letra G, definidacomo la relación entre el peso de un volumen igual de agua

a Ia misma temperatura.

1a

En la Industria del petróleo la densidad American petroleum

24

Institute

calibrada

por medio

(API) es más utilizada. Es una escala

en grados y que relaciona la gravedad

de la fórmula:

Grados API = # -, 13i-,s

arbitraria

específica

(1.e)

I

I

I

t-I

I

I

I

I

I

I

L

6

REI-ACION DE PARTES: 1. Tanque con fuel oil; 2. Tubería do suministro;3. Filto delimpicza;4. Tanquo con precalentami.onto; 5. Bomba; 6. Tanque principal; 7,8,19.Uneas de recirculación; 9. Bomba de la primera etapa; 10. Válvula dc no retorno;11. Pieéalontador de fuel oil; 12. Filtro fino; 13. Bomba de la segunda otapa; i4.Válwla; 15. Begulador de f,ujo; 16. Medidor de ñujo; 17. Vávula antes de losquemadores; 18. Atomizadores.

FIGURA 3. Esquema Tecnológico de 1a Preparación deCombustible Líquido en una Planta.

I

I

I

25

La Tabla 4, presenta los rangos de gravedad API para los

diferentes tipos de fuel oil.

TABLA 4. Rango de Gravedad API para Fuel Oil.

TIPO RANGO DE GRAVEDAD API

No. 2

No. 4

No. 5

No. 6

29"

24"

160

60

39"

29"

22"

15"

Improvement , 198 1 .

I.8.I-2. Viscosidad. Es la medida de Ia resistencia

interna de un líquido a fluir. Para evaluar numéricamente

la viscosidad de combustibles se util-j-za e1 viscosímetro

cinemático directo cuya unidad de medición es el Centistoke

(CST) y el viscosímetro Saybolt cuyas unidades de medición

son el Segundo Saybolt Universal (SSU) y el Segundo Daybolt

Furol (SSF).

Desde el punto de vista del control de eficiencia de lacombustión es importante tener en cuenta que Ia presencia

de agua emulsificada (proveniente de condensación, escapes,

acción bacteriana) incrementa la viscosidad de1

combustible.

1.8.1.3. Punto de Inflamacíón. Es la mínima temperatura

a 1a cual existen suficientes vapores del 1íquido para

26

crear una mezcla de aire y combustible que arda por algunos

segundos en presencia de una llama.

1.8.1.4. Destilación. Esta característica se basa en la

destílación de un volumen de 100 .*3 de "orb,r=tiUt* y

determinación sucesiva del porcentaje de recuperado y la

temperatura correspondiente. En general, esta prueba

determina el rango de temperatura dentro del cual ebulle

dicho combustible. E1 50% de esta destilación puede

tomarse como e1 !'punto de ebullición medio" que es la

temperatura a la cual se ha evaporado e1 50% de la masa.

1.8.2. Análisis de Combustibles Líquidos. Mediante

correlaeión de propiedades físicas la Universal Oi1

Products Company, establece una caracterizaci-ón del

petróleo y sus derivados basándose en que los hidrocarburos

parafínicos de más alto contenido de hidrógeno siendo un

punto de referencia y los hidrocarburos aromátieos de

mínimo contenido de Hidrógeno el otro punto.

El factor de caracterización (U.O.P) fue definido

función de la gravedad especí f i-'ca G y e1 punto

ebullición medio (T.e.m) :

en

de

3nv_ vT.nlG

Factor de caracterj-zacíón U.O.P.Donde K:

(1.10)

T. e.m

G

27

Temperatura de ebullición media (R) a 1 atm.

Gravedad específica a 60'F.

I0.0 I0.5 il.(l lt.s |2.0

FACTOR DE CARACTERIZACION, K

Contenido de Hidrógeno con Base en el Factorde Caracterj-zaei-ón.

La propiedad anterior permite calcular e1 contenido

hidrógeno de un combustible (libre de azufre), mediante

utílización de Ia Figura 4.

100.;.

{00.f.500.f.

t0trF.t00.Í.

000.t.e00.t.

r000.;. (53t

de

1a

10

oot¡Je.zl¡¡

Il¡¡o*

FIGURA 4.

28

1.8.3. Clases de Combustibles Líquidos Empleados en

Calderas. Los combustibles 1íquidos de mayor utilización

en calderas en la actualidad, sean puros o mezclados son

los siguientes:

Kerosene.

g).

Combustó1eo No. 3, (F.O. No. 4).

CombustóIeo No. 6, ( F. O. lüo. 6 )

Crudo de castilla.

El kerosene y el A.C.P.M., constituyen fracciones de La

destilación en refinería y son por lo tanto combustibl,es de

fáci1 quemado. EI combustóleo No. 3 y No. 6, son

eombustibles residuales utilizados en quemadores de tipo

industrial. Los más pesados requieren para su manejo y

aXomización un precalentamiento previo.

El crudo de castilla es el petróleo crudo proveniente de

los llanos orientales, de tipo pesado, €1 cual es sometj-do

a tratamientos previos de deshidratación en frío por medio

de aditivos para posteriormente utíLízarlo directamente o

mezclado como combustible para quemadores industriales y

29

calderas.

La Tabla 5,

Combustibles

presenta las características Típicas

colonibianos para calderas.

de

TABLA 5. Características Típicas deColombianos para Calderas.

Combustibles

CABACTENISTIOAS XEEOSEI¡E A-C.-P-H COHBTISI1OLEO COüBUSTOLEO CEI'DO DE COIIBUSTOLEOilo-3 l¡o-6CASTIL¡.A

Gravedad API

Azufre, z peso

CeDizeE, X pero

oPunto de f].uidez,

vissosidad cst (1O¿csr ( 122

Punto:lnflaMc1óD (

AguaysedLE,xwoL

Met (PPM), Vanadio

37.9 30

0.141 0.5

o.o o.o

29 .3

c

1 .5 2.5

32

óo

131 140

o,5 2.O

F

oF)

oF)

0F) L49

13 .3

2-2

o. 09

60

13 60664

82

3209932

2

4.6

1.96

o.1

33,a

116 6535

170.6

Nlquel.Hi erroS odLo

oDeEti].acl.ón ( F), inic

50*Punto fina]-

IIHV ( Btu,/ga1 ) 13966O 15020¿ t52977

Fuente: ECOPETROL, Departamento de Ingeniería de procesos.

1.9. COMPOSICION Y CARACTERISTICAS

COII{BUSTIBLE GASEOSO

PRINCIPALES

Entre las especies de combustibles gaseosos se encuentra en

primer Lugar el gas natural. Su componente principal es elmetano CH¿, además el gas de diferentes yacimientos contiene

pequeñas cantidades de hidrógeno HZ, nitrógeno N2,

330r20

33

¿53572661

¡ffiÉ@.-';

I Univcrsidad Antútoma de 0ccidente

I srccloN BlBLlol'EcA!.-_-_-_

30

hidrocarburos s.rp"riot"" CoH,, monóxido de carbono CO y

bióxido de carbono COr.

El 9570 de gas natural producido en Colombia se utiliza como

combustible en hornos y calderas liberando un promedio de

57000 Bxu/día de combust.óleo, A. C. P.M. y otros combustibles

1íquidos.

La disponibilidad de combustibles gaseosos depende de las

reservas que se tengan de gas natural.

Colombia cuenta con campos de Bas, con reservas probadas en

1as siguientes za¡asl

Zona de Ia Costa Norte y e1 Va1le inferior del río

Magdalena, que tiene los campos de La Guajíra, el

Difíci1 y otros, gü€ poseen el 81-% de las reservas.

Zona Central, integrada por los campos de Pagoa,

Provincia y los del Distrito de Producción de la

Empresa Colombiana de Petróleos (ECOPETROL), con eL 2L%

de las reservas.

1.

2-

r10

las

3. Zona del

el 4% de

ZuLía, con los campos Barco y ZuLia; con

reservas.

4. Zona de1 Alto Magdalena, con los campos de Tello.

En la Tabla 6,

combustibles.

TABTA 6.

se presentan 1as

31

características de gases

CaracterísticasComlombianos.

de Gases Combustibles

COMPONENTES GAS DE LAGUAJIRA

GAS DE PAGOAY PROVINCIA

Metano (% M)

Etano

Propano

Isobutano

n-Butano

Bióxido de Carbono

Nitrógeno

Gravedad Específica

HHV (Btu/pie3)

Peso Molecular (Lblmol)

97 .OO

2 .20

0. 10

0.40

0.30

o.572

1023

16.6

90.60

7 .60

0.80

o .20

0.10

0.40

0.30

0.610

1082

L7.66

Fuente: EcoPETRoL, Departamento de rngeniería de procesos.

Por considerarlo de interés r €Íl la Tabla 7 , se incluye

e1 poder calorífico de los principales combustibles

empleados en Colombia para calderas.


una planta que trabaje con gas

red nacional de gasoductos y

productores de gas.

de suministro de gas para

neutral, la Figura 6, lala Figura 7 los campos

32

TABLA 7. Poder Calorífico TípicoColombianos para Calderas.

de Combustibles

COT{BUSTIBLE PODER CALORIFICO SUPERIOR

lR.c.P.M (F.o. No.6)lcombustóleo No. 3 (F.o. No.

lCombustóleo No. 6 (F.O. No.t'Kerosene

lcrudo de CastillaI'Gas Guajiralcr" (Pagoa y Provincia)2Carbón de: Cerrejón Norte

Cerrejón Central

139660 Bxu/caT.

L52977 Bxu/gaL.

L52977 Btu/gaL.

L52977 Btu/gal.L52977 Bxu/g:aL.

LO23 Btu/pie3.

1082 Btu/pier.

11900 Bxu/Lb.

11200 Btu/Lb.

11200 Btu/Lb.

12500 Btu/Lb.

12500 Bru/Lb

CALORIFICO INFERIOR

2882 RcaL /Kg .

3865 Kcal/Kg.

3939 Kcal/Kg.

1820 K-caL/Kg.

' 277l- Kcal/Kg.

4',,

6)

Cundinamarca y Boyacá

Norte de Santander

Antioquia3 combustibles Residuales

Cascarilla de Arroz

Cascarilla de Café

Palma Africana

Bagazo

Bagacillo

PODER

Fuente , lnCOpntROL, Departamento de Ingeniería de Procesos.

2cRReocol-, División de Procesos y DesarrolloTécnico

3con¡zelns J. , MoRENo A. "Posibilidad de

Implementación de Residuos Agroindustriales comoCombustibles". Proyecto de Grado UniversidadNacional.

I

t__

RELACION DE PARTE$: l. Llnea dc gae prlndpa¡; 2. Vályu¡a do p¡3o con mandoo¡óctilco; 3. Válvula ds p¡so; 4. Flltro; 5. Rcgulador rtc prcelón; 6. Vllvr¡l¡ fts scgurld¡d;7. Baypae; 6. ftlodlttot de flulo: 8. compüortr dct rogul.dol dc flülo üc ger; lo. yi¡vu¡ado acdón ráplda: tl. yálwta do rogutaclón: 12. Ltavc do prucbr; ro. Eicapc do gar doprusba; 14. G¡ücmadoroq 15. Lfne¡ de 3ümlnlstto ds alre comptlmldo para lhplczl dctgasoducto; 1C. Sumlnlstro dc g¡s ¡l encendcdor del quemadol.

Esquema de Suministro de Gas para una plantaque Trabaje con Gas Natural.

33

¡

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

11

15

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

FIGURA 5.

34

SUBSISTEIIA COSTA ATLANTICA

I

,

I

I

I

II

lrnrrtrrr¡ j9F¡nr na

SUBSISTEMA CENTRO800aro¡o

SUBSISTEftIA

SUES¡STEiIA NORTE HUIL,A

GONVENGIOINES:

Tronc¡l cxlst.nte

-.'Troncalaconst?uh

: Sub¡lstoma axlstento

FIGURA 6. Red Nacional de Gasoductos.

35

ir¡ I..LB¡ rra {rllb

FIGURA 7. Campos Productores de Gas.

36

1.10. I{ANEJO Y TRATATTIIENTO DE COIIBUSTIBLES PARA CALDERAS

Los combustibles y aceites que Se consiguen en el mercado

son tratados (al menos parcialmente) con aditivos por parte

de las compañías productoras. Tal vez, los ejemplos más

conocidos son la gasolina extra, 9U€ es tratada con

tetraetil plomo para mejorar su octanaje' y aceites para

automotores gue usan polímeros que mejoran la viscosidad.

Entre muchos de los aditivos que usan las compañías

productoras de combustibles Se pueden mencionar los

antioxidantes, deactivadores metálicos ' inhibidores de

corrosión, mejoradores de conductividad, dispersanteS'

caXaLizadores de combustión, depresores de1 punto de

escurrimiento y mejo.radores del número cetano y octano.

Puesto que todos los combustibles para calderas difieren en

muchas características, cada uno debe Ser tratado

individualmente de acuerdo a su problema específico.

Debido a las fltrctuaciones tanto de precio como de

suministro muchos usuarios, han incrementado la capacidad

y tiempo de almacenamiento, 10 que implica implementar

aditivos a los combustibles para evitar deterioros y

cambios de sus características.

Los aditivos para combustibles cumplen las siguientes

37

funciones:

1. Mejoran la combustión y eficiencia.

2. Mantienen la.temperatura de los gases por encima de1

punto de rocío.

3 - Reducen la emisión de productos contaminantes alambiente.

4- Reducen la formación de hollín y depósitos aisrantesque se pegan a las superficies de transferencia de

caLor, aislándolas.

5. Reducen 1a acción corrosiva de los gases de eombustión.

6. Reducen La formación de barros y microorganísmos que

inpiden mantener alta eficiencia en las calderas.

1.10.1. Tipos de Tratamiento con Aditivos paÍa

combustibles Líquidos. El agua ha sido mencionada como un

aditivo para mejorar el funcionamiento de ealderas.

Algunos fabricantes opinan que con un 3% o 4% de agua

emursifieada en el combustible se reduce significativamentela formación de sóIidos. sin embargo, adicionar agua

significa mayor consumo de combustible debido al calor de

evaporización del agua.

38

Hay dos tipos

y tratamiento

de tratamiento Para

durante y después de

fuel oil: precombustión

La combustión.

La Figura 8, muestra

fuel oil antes de la

las áreas problema en un sistema de

combustión.

TANOUE DE

ADITIVO

ADITIVO

CALDERA

FIGURA 8. Areas Problema en un Sistema de Fuel OilAntes de La Combustión.

La corrosión se puede presentar en el tanque combustible y

en todo el sistema por agúa y sales, y taponamiento en

filtros, precalentador, quernador por productos corrosivos,

barros y sedímentos.

ADITIVO

39

1.10.1.1. Degradaeión del combustible. Entre los factoresque más afectan a los combustibles 1íquidos se pueden

mencionar los siguientes:

1.10.L.2. Oxidación. El deterioro por oxidación da lugar

a incremento de partículas suspendidas, formación de agua

y decoloración del combustible.

El proceso de oxidación puede ser directo cuando el oxígeno

proveniente del aire se combina con moIécuras de

hidrocarburos del combustible, o cuando metales (hierro,cobre' níquel) son disueltos o quedan en suspensión

aumentando la oxidación.

L.10-1.3. crecimiento de Bacterias. En Ia interfase agua-

aceite se reproducen bacterias, hongos y otrosmicroorganísmos que secretan ácidos y agua causando 1a

formación de lodos que taponan los filtros.

1.10.L.4. Corrosión. Es causada por la presencia de

ácidos que atacan los metales del combustible y a su vez

incrementan la rata de oxidación. También se presenta

corrosión debido a la presencia de sal (Nacl) en el agua.

La corrosión causa daños en los tanques de almacenamiento

y sus productos pueden taponar filtros.

r.--L:ft:!'4I Unfvarsidad Aut6nom¡ de Occidenre II srcctoN BtBLtoTE€A I

--

40

1.10.2. Aditivos. Los aditivos empleados en el período de

precombustión normalmente contienen una eombinación de los

siguientes compuestos :

1. Solventes. Su efecto

partículas formadoras

solubilizar una parte de las

Iodo.

la aglomeración de partículas

es minimízar la oxidación de

ES

de

2.

3.

Dispersantes.

suspendidas y

Previenen

agua.

Antioxidantes.

hidrocarburos

Su acción

olefínicos.

4. Inhibidores de corrosión. Actúan formando una capa

protectora sobre las superficies metálicas que

neutralizan los ácidos.

5. Enulsificadores de Agua. Las sales corrosivas en e1

agua d"l combustible los mantiene en suspensión,

evitando el contacto con las superficies metálicas.

6. Microbicidas. Destruyen y previenen el crecimiento de

microorganismos .

7 - Depresores de Punto de Escurrimiento. Son útiles sobre

todo en climas fríos donde se debe precalentar el

combustible para facilitar su bombeo.

1.10.3. Tratamiento Durante y Después de la

La Figura 9, ilustra las áreas problema de un

fuel oil durante y después de la combustión.

FIGURA 9. Areas Problema en unDurante y Después de la

41

Combustión.

sistema de

Sistema de Fuel OilCombustión.

1.10.3.1. Depósitos. Hollín en Ia cámara de combustión.

1. 1-0 .3.2. Escoria. Ceniza en la eámara de combustión,

sobrecalentador y en la sección de convección puede causar

taponamientos y aislamiento térmico.

1. L0.3.3 .

sulfúrico.

Corrosión. En el economizador por ácido

1.10.3.4. Emisiones.

de la chimenea.

ADITIVO

CAMARA DECOMBUSTION

SECCION DECONVECCION

PRECALENTADORDE AIRE

ECONOMIZADOR

Lluvia ácida IHZSO4 + Hol1ín) fuera

42

1.10.3.5. Depósitos Incrustantes y Corrosión. Como se

muestra en Ia Figura g, los depósitos se pueden presentar

en las zonas de alta temperatura sobre la tubería de las

paredes de a9ua, €fl el sobrecalentador, y en el banco de

convección.

Se puede presentar corrosión en el economizador

precalentador de aire, ventiladores y en la chimenea.

En la zofta de alta temperatura se pueden LocaLízar

incrustaeiones de compuestos de sodio, vanadio, azufre y

oxígeno con bajo punto de fusión, gu€ una vez depositados

sobre strperfícies calientes son muy dífíciles de remover'

e incluso Ia acción de los sopladores de hollín tienen poco

efecto de limpieza sobre estos depósitos.

En la Tabla 8, se pueden apreciar las temperaturas de

fusión de varios de estos compuestos.

1.11. TRATAITIIENTO PARA CALDERAS QUE OPERAN CON CARBON

La tecnología del tratamiento químico para calderas que

funcionan con carbón se ha desarrollado en menor grado que

para las de fuel oil. Entre los compuestos químieos

empleados para controlar la formación de escoria, hol1ín y

corrosión, se pueden mencionar eI óxido de Magnesio,

carbonato de calcio y dolomita

43

TABLA 8. Temperatura de Fusión de Valios Compuestos.

coMPuEsTo QUrMrco TEMPERATURA DE FUSIONCENIZA

Pentóxido de Vanadio (V2O5)

Sulfato de Sodio (NarSOa)

Sulfato de Níquel (NiSO4)

Metavanadato Sódico (NarO.VlO5 )

Pirovanadato Sódico ( 2NarOV2O5 )

Ortovanadato Sódico (3NarO.VZO)

Ortovanadato Níquel (3NiO.VtOs)

Vanadato Vanadil Sódico ( NarO. VIO¿ . 5VtO )

Trisulfato de Hierro Sódico (2NarFe(SO{)3)

Efficiencv". (Roiler).

Una investigación conducida por "ASME'S RESEARCH COMMITES

ON CORROSION AND DEPOSITS", indica que tanto la corrosión

como los depósitos son causados por sulfatos de hierro

alcalinos y que eI MgO (po1vo) previene su formación.

Desafortunadamente este tratamiento es muy costoso debido

a la alta dosificación requerida (O.42 a 3% del

combustible).

Generalmente los problemas por ataque ácido en calderas de

fuel oil son más severos que las de carbón debido a que la

ceniza volante tiene suficiente alcalinidad que permite

prevenir eI ataque ácido. Cuando se supera los niveles

L27 4

163 0

154s

1165

121_0

1590

1650

116 5

115 0

44

permitidos se adicionan compuestos químicos de magnesio y

dolonita que previenen la formación de depósitos y

corrosión en los calentadores de aire' economizadores,

ductos y en La chimenea.

L.12. PREPARACION DEt CARBON

1.12.1-. Sistemas de Preparaeión. Entre los sistemas de

preparaeión de carbón se tienen los siguientes:

L.Lz.1.1. Sistema de Preparación Separada. El carbón se

mueve a régimen constante y se transporta en un depósito de

provisión o tolva. De esta sale por el alimentador y llega

a los mecheros de acuerdo con 1a demanda de carga que se

regula por la velocidad del alimentador. El sistema

individual no lleva tolva de almacenamiento quemándose eI

combustible innediatamente después de ser molido. Este tal

como se recibe los vagones, se eleva hasta la barbonera o

tolva extendiéndose por igual sobre varios compartimientos

de la misma. Por acción de la gravedad desciende hasta

los molinos donde se tritura aL tamaño deseado,

suministrándose cierta cantidad de aire al molino.

En la Figura 10, se muestra la disposíción general de un

sistema de preparaeión separada; en un edificio

independiente se efectúa la pulverización del carbón.

FIGURA 10. Preparación del Carbón Efectuado en LocalAdyacente a la Sala de Calderas.

Ventiladores aspiradores en el piso de encima extraen el

carbón pulvgrizado y 1o envían a los colectores situados

a una nave entre los edificios. En el separador, las

partículas de carbón giran en remolino y entran aI depósito

Ínferior o son transportadas por alimentadores de espirala una tolva distante para carbón pulverizado.

El aire de transporte sale de la parte superior del

colector de los molinos y también de la parte superior del

depósito de combustible pulverizado, dando a La atmósfera.

46

Los alimentadores de hélice colocados bajo cada depósito

de carbón pulverizado y que son asimismo alimentados con

aire "primario", transportan esta mezcla de polvo

combustible y aire hasta los mecheros vertieales. El airef'secundario" o sea 1a cantidad que le falta al primario

para toxaLizar el necesario para la combustión, se

introduce en el hogar alrededor de los mecheros.

L.L2.L.2. Sistema de Preparación Individual. En una

instalación de tipo individual tal como puede hallarse en

cualquier Central moderna, €1 carbón se eleva por un

transportador de cangilones hasta una cinta horizontal

sobre la carbonera y se vierte en esta. Desde aquí, Por

acción de la gravedad desciende a básculas colocadas unos

seis metros más arriba del piso principal. Las balanzas

automáticas pesan el carbón y 10 vierten en el alimentador

colocado en eI piso principal y cuya velocidad se regula de

acuerdo con la demanda de la carga.

El earbón que envía el alimentador se introduce junto con

aire precalentado en el molino. Un aspirador toma el aire

precalentado y 10 l-anza al molino triturador arrastrando el

carbón en polvo hasta eI hogar. El aire secundario que se

introduce en el hogar alrededor de los mecheros se dirige

de manera que su corriente choque con la del primario y elpolvo combustible.

deI sistema

47

deLa Figura 11,

preparación con

muestra de un esquema

tolva intermedia.

22

1T

)i;,--t 'a--ll

EELncroN DE PABTES: l. Tolva de c*bón ptimailo; 2. compucda; 3. Atimentador decarbón; 4. Tubería da secado; s. Motino de'esterasj e. sepiaái-'dá polvo i"iiiaá;7. ciclón; 8. ventilador de molino; 9. Tolva del potvo pre¡iarado; lo. Atimaniadá, * 'carbón; ll. Distribución del potvo;12. Atimentaáor de'pótvo; ló. e)uemador;14. caia oconducto de aire caliente; ls. Llave de paso de aire trio; tó,t2. Llaves; lg.-aucciói deaira frío; 19. ventilador de.aire forzado; 20. conducto o cajá de aire primario; 21.Mezclador de polvo con aire; 22. Compueña.

FrcuRA 11. sistema de Preparación del carbón con TorvaIntermedia.

1.L2.2- Pulverizadores de Carbón. Toda Ia maquinaria

48

opera para pulverizar por impacto, frotamiento' compresión

o una combinación de dos o más de estos procesos.

L.L2.2.L. Pulverizadores de Velocidad Media. Hay dos

grupos de pulverizadores de velocidad media ( 75 RPM a 225

RPM) , clasificados en tipos de collar de bolas. y rodillos.

En cada grupo se util-íza el principio de pulverizado por

una combinación de trituriación bajo presión, impacto y

frotamiento entre superficies de molienda y material, pero

eI método es diferente.

L.L2.2.L.L.

pulverizador de

de cojinete de

tiene un anillo

del fondo y un

de molienda.

I

Pulverizador de Col1ar de Bolas. E1

coll.ar de bolas trabaja según el principio

bolas. El que se muestra en la Figura L2'

estacionario superior, u[ ani1lo rotatoriojuego de bolas que conforman los elementos

L.L2.2.I.2. Pulverizador de Tipo Rodillo. Este tipo de

pulverizador puede ser de un diseño en el cual eI anillo

es estacionario y los rodillos giran, o uno en el cual los

rodillos están montados en la caia del molino y el anillo

gira. En el primer tipo, los elementos de molienda

consisten en tres o más rodillos cilíndricos suspendidos en

brazos impulsores giran en una pista reemplazable en

posición horizontal.

49

-__;_::"_"'_'..,''''.

Válvula de cortedel tubo

del quemadorClasificador

FIGURA L2. Pulverizador de Bolas.

El componente principal del segundo tipo, €1 tazón del

molino, €s un tazó¡ rotatorio equipado con un ani11o

reemplazable de molienda de dos o más rodillos de cono en

chumaceras estacionarias, uo clasificador y un impulsor

princípa1.

I.I2.2.L.3. Molino de Tubo. Uno de los más antiguos

pulverizadores prácticos es el molino de tubo, en el cual

una carga de bolas de acero forjado de tamaños diversos en

un cilindro de molienda horizonta1- se activa por gravedad

lffi| .;ije;i0N B|BL|OTECA. I

50

conforme gira el cilindro. El

frotamiento e impacto eonforme

y cae en el carbón.

carbón es

1a carga de

pulverizado por

bolas asciende

L.L2.2 -2. Pulverizadores de Alta Velocidad. Los

pulverizadores de alta velocidad utilizan el impacto como

medio primario de molienda mediante el empleo de batientes

cori martillos, espigas resistentes al desgaste que giran

dentro de una jaula y hojas de abanico integradas al árbol

pulverizador.

I..13. . CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA PARA

COI'TBUSTION DE COMBUSTIBLES PESAI}OS

Debido aI costo de la energía y su incidencia en los costos

operacionales, las empresas se ven en Ia necesidad de

considerar como alternativa el consumo de combustibles cada

vez más pesados incentivados por e1 menor precio a1

compararlos con A.C.P.M. y el combustóleo tradicional,

No obstante, pata su empleo es necesario reaLj-zar cambios

operacionales y efectuar reemplazos y/o modificaciones

menores en los equipos a la de adaptarse a las nuevas

condiciones de1 combustible.

51

LA1.14. FACTORES DE CONVERSION DESTINADOS

COMPOSICION DE COTIIBUSTIBLE DE UNA

PARA TRADUCIR

MASA A OTRA

En la Tabla 9, se presentan factores de conversión de lamasa de combustible.

TABTA 9. Factores de Conversión de 1a Masa de Conbustible.

üASA DE

COI{BUSTIBLE DADAFACTORES

APROVECHABTEDE COI{VERSIOIiI A IA }IASA

COIIIBUSTIBTE SECA

Aprovechabe

Conbustible

Seca

100- (Aa+fi¡a)100

100 - n¡¿1oo

100 100100 - (Aa+Wa) 100 -f a

100 -A s

100

100100 -A s

!'uente: G. PANKRATOV. Termodinámica.

1.15. PROBLEI{AS DE APLICACION

Problema 1.1-

En el hogar de una caldera se quema una mezcla compuesta de' 3x103 Kilogramos de carbón de marca D cuya composición es:

Cf = 49.3%t Hf = 3.6%; (Sár)r = 3.0.%i ff" = 1.0%t Of =

8.3%; Af = 2L.8%; wf = 73% y y 4.5 x 103 kilogramos de

carbón de la marca G cuya composición es Cr" = 55.2%; Hf =

52

3.8%; (Sui1l, = 3.2%t N: = 1.0%; O: = 5.8% t A: =23.O%t Wf

= 8.0%.

Determinar 1a composición de la mezcla aprovechabler s€

designa con el índice rf arr.

Solución:

La porción de masa de uno de los combustibles contenidos en

la mezcla se determina con ayuda de La síguiente fórmula:

bt = Bt/ (4 * Bzl (1.11)

Donde bl : Porción de masa.

Bl, 92 : Masas de los combustibles de la mezcla'

Entonces:

bl = 3OOO/ (3000 + 4500) = O.4

La composición de la mezcla aprovechable se encuenta por

medio de las siguientes ecuaciones:

C"r.r=brCru* ( 7-b¡) Cz^

H " ,.r=bfif + (t -b) Hz"

(1.r.2)

( 1.13 )

(

N"r", = brJVrt + (t-b1) O2a

O" ^", = brof + (L -btl Oz^

A',*, - brAr" * (L -bt) Aza

W" no, - brWf * (L -btl Wz^

53

(1.14)

( 1.ls )

( 1.16 )

( 1. 17 )

(1.18)

Reemplazando los valores correspondientes en las anterioresecuaciones se tiene:

C"*, = O.4(49.3) + 0.6(55.2) = 52.8%

H"*, = 0.4 (3.6) + 0.6 (3.9) = 3.7%

(s'*')rr, = o.4 (3.0) + 0.6 (3.2) = 3.L%

N"*, = O.4 (1.0) + 0.6 (1.0) = L.O%

O"*, = 0.4 (8.3) + 0.6 (5.8) = 6.8%

A"*, = O.4 (21.8) + 0.6 (23) = 22.6%

W"^"" = O.4 (13.0) + O.6 (8.0) = LO%

Verificación:

C"*r*H"r"r+ (sa nol.l)r"r*N^r"r*o"^"r*A"r.r+lilamez = 52.8 + 3.7

+ 3.1 +1.0 + 6.8 + 22.6 +10.0 = 100%

54

Problema I.2.

Determinar el poder calorífico superior de la masa

aprovechable, la humedad reducida, eI contenido reducido de

cenizas, €1 contenido de 'azufre y el equivalente térmico

del carbón de Ia marca T, si los valores conocidos son como

siguen t Q! = 24365 KJ/Kgi Ha = 3.L%t SÍot = 2'8%l A" =

23.8%yWa=5.0%.

Solución:

Las magnitudes del poder calorífico superior e in'ferior de

Ia masa aprovechable, combustible y seca del combustible

sólido ( líquido) están relacionadas mediante las

expresiones:

eÍ = eran+Z2sía+25Wa

Q! = Qfn = 225He

e"" = efn+22íHB

(1.le)

( 1.20 )

( 1.21)

La composieión de masa aprovechable, combustible y seca

aprovechable se designan con los índices "s", "c", "s",

respectivamente .

Reemplazando los valores correspondientes en las anteriores

55

expresiones se tiene:

O: = 24365 + 225.3 (3.1) + 25.5 = ZSL87 KJ/Kg.

La humedad reducida del combustibres se determina mediante

la aplicación de Ia siguiente fórmula:

esto es:

Wred = 4190 ( 5 / 24365) = 0.86 Kg x % x fO-3/X.f

El contenido reducido de cenizas se carcura como!

wrad = 4LgoE (L.22)

A,"d=Also+ (1.23)

s,ed=41e0# (L.24)

esto es:

At"d, = 4190 (23.8 / 24365) = 4.Og Kg x % x fO-3/X.f

Et contenido reducido de azufre en el combustibre es:

56

esto es:

Sr"d = 4190 (2-8 / 24365) = 0'481 Ke x % x ro-3/x¡

Para determinar el equivalente térmico se hace por medio de

la siguiente expresión:

n=.?ii. (1'2s)29 300

Reemplazando se tiene:

fi = 24365 / 293OO = 0.83

Problema 1.3.

Determinar el poder calorífico inferior y superior de la

masa combustible del mazút de gran contenido de azufre si

se conocen las siguientes magnitudes: Of" = 38772

KJ/Kgi Ha = LO.4%i Aa = O.L%iW" = 3.0%.

Solución:

se determina el contenido de Hidrógeno en Ia masa

combustible valiéndose del faetor de conversión de la

Figura I.4.100Hc=Ha j_00 _ 1Aa +Wal

(r.26)

57

Esto es:

Hc = 10.4 (]-OO/ (100 - (0.1 + 3.0))) = LA.7%

E.l poder calorífico inferior de ra masa combustible se

determina según la fórmula:

Qi", =gfi+25Wa

100 (L .27 )L00 - (Aa +Wa),

Reemplazando los valores correspondientes se tiene:

Oñ = (38772+25 (3.0))/(100-(0.1+3.0)) (100) = 40090 KJ/Ke

Ejenplo L.4.

Para una sala de calderas con hogares diferentes se

suministraron 50 x 103 Kg de carbón de ra marca T de ra

siguiente composición. Ca = 62.7%; Ha = 3.L%: Si"t = 2.g%iNa

= O.9%i Oa = !.7%i Aa = 23.8%; Wa =5.0% y 6.0 x t03 fg ae

carbón de marca A de la siguiente composición: ca = 63.g%:Ha

= L.2%; Siot = L.7%; AIa = 0.6%i Oa = 1.3% i Aa = 22.9%;Wa

= 8.5%.

Determinar el tiempo de funcionamiento de los hogares si es

sabido que Ios hogares que consumen carbón de la marca T

58

necesitan 2 x 103 Kgrlh de combustible convencional y los

que consumen earbón de la marca A, 2-3 x 103 Kg/h de

combustible convencional .

Solución:

Se determina el poder calorífico inferior de 1a masa

aprovechable del carbón de la marca T así:

eÍn = 33Bca+1025ff a-108.5 (o"-SÍot) -zsw' (1.28)

Entonces:

eño =338 (6'2.7 ) +1025( 3. 1 )-108. s( 1. 7 -2.8)-2s( 5 .O)=24365 KJlKe

La masa de combustible convencional correspondiente a 50 x

tO3 1qg de carbón de la marca T se determina con ayuda de la

siguiente fórmuLa:

Bcr=BtE=m (1'29)

o sea:

Bcz = 50 x 103 (24365 / 29300) = 4L.6 x 103 Kg.

El calculo del tiempo de trabajo de los hogares que

59

consumen carbón de la marca

f1 =

T es:

Bct

2tfl03(1.30)

Esto es:

11 = 4L.6 x Lol / 2x10J = 2O.8

El. poder calorífico inferior de la masa aprovechable del

carbón de la marca A es:

Qñ, =338( 63.8)+1o25 (7.2)-108. s( 1. 3-L.7)-2s(8.5)=2 2625 KJ /Ks

La masa combustible convencionar que corresponde a 60 x 103

Kilogramos de carbón de la marca A, es:

B"e = 60 x 103 (2262s / 29300) = 46.3 x ro3 rg

tiempo de trabajo de los hornos que consumen carbón de

marca A:

r" = 46.3 x 103 / 2.3 x 103 = 20.1 h.¿

E1

1a

Uníversid¡4 Ailt6noma de Occidentestcctrri¡ BtB! t0t EC,1

2. TEORIA BASICA DE COT{BUSTION

2.L. CO¡IBUSTION

Es la reacción química de oxidación en el cual se combina

el oxÍgeno con el combustible obteniendo como resultado laproducción de calor.

Básicamente la combustión es el acto o proceso de quemado.

Los combustibles más comunes, como aeeites, gBS y carbón,

están compuestos por carbono e hidrógeno, existiendo en

algunos combustibles pequeñas cantidades de azufre, estando

presentes trazas de otros elementos. Para usos prácticos

es la oxidación de tres elementos, carbono, hidrógeno y

azufre, la que se tiene en cuenta en la combustión. Tres

reacciones químieas se suceden:

Carbono + Oxígeno ----> Dióxido de Carbono + Galor (Z.LI

Hidrógeno + Oxígeno ----> Vapor de Agua + Calor

Azufre + Oxígeno ---->Dióxido de Azufre + Calor (2.21

61

De acuerdo con los fundamentos

carbono y oxígeno se exPresa de

la química Ia unión

forma siguiente:

dede

la

C + Ol ----> Anhídrido Carbónico

1+ 1---->lenMoles

L2 + 32

Las expresiones anteriores indican que un peso molecular de

carbono Se combina con un peso molecular de oxígeno para

producir un peso molecular de anhídrido carbónico. Un mol

de una sustancia vale M kilogramos cuando M es el peso

molecular.

Aunque las cantidades gue Se combinan pueden expresarse en

kilogramos, es más séncil1o efectuar todos los cálculos

utilizando moles y transformarlos en kilogramos o metros

cúbicos s.glamente cuando sea necesario.

se dice que una combustión es completa cuando eI

combustible es totalmente oxídado y se libera toda la

energía. La expresión (2.L) corresponde' pues a la

oxidación completa de1 carbono. La combustión incompleta

puede ser debida por:

1. Insuficiencia de Oxígeno-

2. Mezcla imperfecta entre eI combustible y el oxígeno.

62

3. Temperatura demasiado baja para mantener la eombustión.

Las expresiones (2.3) y (2.4) corresponden a ra combustión

incompleta, debido a la presencia de óxido de carbono y de

hidrógeno libre en los respectivos productos finales.

c+ |or------co

zHr+ | +------Hro+H,

(2.3)

(2.4)

El oxígeno necesario para la combustión es captado síempre

del aire, acompañándole gran cantidad de hidrógeno, debido

a que no es fácil la separación de ambos. EI 0xígeno

embotellado se util-íza para determinadas aplicaciones,como, por ejemplo, én los sopletes para cortar, €r loscuales no puede permitirse 1os efectos dil'uyentes de1

nitrógeno. Es por tanto necesario revisar las propiedades

del aire como manantial de oxígeno.

cuando los cálculos se efectúan con regla de cálculo se

supone que el aire se halla constituido por 2L% d.e oxígeno,y 79% de nitrógenor €n volumen,.y por 23.15% de oxígeno y

76.85% de nitrógeno, €r peso.

Todos los constituyentes, excepto el oxígeno, pueden

considerarse en conjunto como gas inerte cuyo peso

63

molecular es 28.2 en vez

nitrógeno puro.

de 28.0, gu€ corresPonde a el

2.2. CONTROL DEI. PROCESO DE COMBUSTION

La combustión en gran medida determina La confiabilidad y

el trabajo económico de la caldera. Uno de los principales

problemas en la operación de calderas es la regulación del

proceso de combustión de tal manera que proporcionen |a

poteneia requerida eon un alto rendiu¡iento (economía de

combustible).

El cambio en la carga deI hogar está relacionado con el

cambio del flujo de vapor y se logra regulando La cantidad

de aire y combustible que entra al hogar y manteniendo una

depresión constante en La patte superior del hogar'

2.3. AIRE TEORICO

Es la cantidad de aire necesaria para

perfecta. Se ealcula por la ecuación:

la combustión

1- t 3? c*8¡r+,g)o.23 ' 1,2

lb. aireffi (2.s)

combustible poseaEn e1 caso de que el oxígeno la ecuación

64

Donde C, H, O, y S son el porcentaje en peso por libra de

combustible.

La regulación de Ia cantidad de combustible se hace

cambiando; la productividad de los alimentadores de

combustibles, la velocidad de la parrilra, la presión. del

fuel oil o del gas antes de ros quemadores y aI número de

quemadores.

uno de los principales valores que determina la buena

combustión a1 quemar. cualquier combustibre, en diferentes

hogares, €s el coeficiente de exceso de aire g en el

proceso de operación es necesario mantener un valor óptimo

de s para diferentes cargas.

es:

#tfrc*8a+s-orffi

g, = Vaite

v!¡t.

Vatre : Volumen de aire real necesario1 Kg de combustible.

(2.6)

(2.7 )

Donde: para quemar

65

Se llama coeficiente de exceso de aire óptimo aquel en el

cual la suma de las pérdidas con los gases de salida 92 y

pérdidas por combustión química q3 y mecánica incompleta

sean las mínimas, o sea üoptn cuando gi----o

Vf¡,"

El exceso de aire se halla

composición de los gases '

determinar con un análisis de

especiales) el porcentaje de

CO, CH¿ y HZ.

: Volumen de aire teórico determinado según

Ias reacciones estequiométricas ( ideal ) .

É.2

Cuando en eI combustible hay poco porcentaje de N2' NZ<3%'

e1 coeficiente de exceso de aire se puede determinar por la

fórmula:

en b'ase aL estudio de la

por 1o que es necesario

gases (aparatos de medición

COZ y SOZ, COI + SOt = ROZ , OZ,

(2.8)

el personal de

o=N'* - tvr-3.76 (O2-0.5eo-o. 5¡r, -2eH4)

Otro método más simplificado y rápido para

operación es:

RO-maxq,=É (2.e)

ü,= 2t2L-02

66

(2.10)

Donde:

ROI* = COz+SOz (2.11)

La ecuación ( 2.11) , se aplica con 1a condición de

combustión completa teórica, o sea con d = 1, ROZ ¡nedido

en porcentaje, ol contenido volumétrico en porcentaje de

todos los gases de combustión.

La ecuación (2.LO),

se incluye Ro2nax,

combustible, sindemasiadas pérdidas

es Ia más empleada, yá que en ella no

que depende de la conposición del

embargo, [o es exacta cuando hay

por combustión química incompleta.

2.3.L. Defecto de Aire. La deficiencia der aire impide lacombustión compreta del combustible, quedando arguna

porción de este sin quemar y pasando ra mayor parte a co.

Esta mezcLa combustible co puede salir directamente por La

chimenea perdiéndose gran cantidad del poder calorífico delcombustible, pues, la combustión de c a col genera

14086 Btu/lb, mientras su combustión a co genera solo4344 Btu/Ib; o puede entrar a combustión en la zona de

conveccíón con aire de infiltración dañando la estructura

67

y tubería de esta zo¡,a; o...pueden presentarse acumulaciones,

espeeialmente en e1 caso de combustibles gaseosos ' 9Ué

lleguen a producir una exPlosión.

La deficiencia del aire también ocasiona llamas largas que

pueden producir puntos calientes, humos densos y oscuros'

no apreciables en el caso del gas natural y rápida

generación de carbón y residuos que Se depositan aislando

térmicamente la tubería.

Para determinar el exceso de aire y comprobar que no haya

combustión química incompleta se establece:

se establecen la presión nominal del gás o de1 fuel

oil en todos los quemadores.

1.

2. de ar_reSe establece 1a misma presión máxima

considerando que la quema sea estable.

3. Manteniendo una depresión constante Se hace el análisis

de los productos de combustión RO, y Ol'

Se disminuye la presión de aire en aproximadamente LO%

a 157q de la inicial, se toman los valores RO2 y 02 en Ia

salida del hogar:. se sigue disminuyendo la presión de

aire y se determina los valores de 02 y Rol hasta I.2%.

4.

68

5. Se construye un gráfico O, versus RO, o (%1, (Véase

Figura 13 ) , todos los puntos que caracterj-zan

regímenes en los cuales no existe combustión química

incompleta siguen una línea recta en eI gráfico

ROI versus 02.

o"%

I

I

7

I

5

4

3

2

1

o

56

FIGURA 13.

78

Gráfico

10 11 12

Versus ROZ.

^l

5

7-a\Oo

Rq%9

o2

13 14 15 16

Para determinar el Roonáx o

cuando la comUustiOn es

a, = 1 se prolonga la

sea el cbntenido de COI y SOZ

completa ideal, o sea cuando

Iínea recta en este caso

en lasD^nax - 1rol r- ^^*r-..^+:.¡.- ^^-2Kuz--- - L¿h, aunque la combustión será mejor pero

condiciones reales de la caldera no se logra.

69

E1 valor óptimo del exceso de aire será en el punto 6 en la

recta, o sea

2.4 . COIIIBUSTION INCO}IPLETA

Se detecta básicamente por Ia presencia de humos. Los

especialistas en combustión han convenido siempre que el

humo excesivo es indicadon de pérdidas económicas y un

rendimiento bajo. Mientras este principio es

aproximadamente válido para todos los combustibles sólidos,

es totalmente cierto cuando se aplica a combustibles

líquidos, por nb producir humos si se utilizan

correctamente.

Con ayuda de instrumentos apropiados y unos conocimientos

suficientes sobre los factores productores de humo,

cualquier combustión puede situarse en condiciones de

combustión limpia.

En algunos casos bastan operaciones elementales como ajuste

de tiro, reparación de fugas, limpieza o sustitución de

boquillas de quemadores, etc., mientras que en otros hay

que modernizar alguna parte de la instalación si se desea

en rendimiento de la combustión mínimo del 75%, valor del

que no se debe bajar nunca.

n = vL.1a,

ñl"tf-- rrP occidrntc l"

70

2.5. EXCESO DE HTTMO

La producción

rendimiento de

humos incide

combustión en

negativamente sobre

dos aspectos:

de

lael

1- Porque significa que queda combustible por quemar,. La

cantidad puede variar, pero la pérdida de combustible

en ningún caso es inferior al 5%.

2- Por el depósito de holIín sobre las superficies de

intercambio de calor del sistema. Este hollín actúa

como aislante de calor disminuyendo su capacidad de

transmisión, con 1o que los gases de escape aumentan

su temperatura y, por 10 tanto un cal0r no aprovechado

es expulsado y perdido en la atmósfera.

si a estas pérdidas se añaden los gastos por rimpieza ymantenimiento del sistema, más frecuentes que losnecesarios en una buena instalación se llegará fácílmente

a ra concrusión de que no se debe tener un tipo de

combustión que prodvzea humos.

2 .6 . CAUSAS DE tA CO}IBUSTION CON HTII,ÍOS

En general, los defectos

pueden localizarse en la

que provocan Ia aparición de humos

zona de combustión.

7L

Los cuatro defectos básicos son:

Aire insuficiente aplicado a |a llama para obtener una

combustión limpia y eficiente.

Distribución no uniforme del combustible y/o aire en la

zona de combust.ión.

Temperatura insuficiente en la zona de combustión para

provocar la vaporizacj-ón y combustión correcta del fuel.

Insuficiente turbulencia de la llama para el tipo de

fuel usado.

Mediante la Figura L4, se

de infamación TB y de

condiciones de extracción

caldera en eI hogar.

puede determinar la temperatura

combustión T, con diferentes

de calor en las suPerficies de la

o

\

l. Dcsptand¡m¡omo de calor cn ol prgcooo do ta roacclón de combustlón.2, Ertracdón do calol dc l- zona dc la roacclón Intcn¡lva.3. Extracdón ilo calor rlábll ds la zona rlc roacclón

FIGURA 1^4. Determinación Gráfica de la Temperatura deInflamación y de Combustión.

2.7. TIRO INSUFICIENTE

Puede ser debido a que los pasos de humo del interior de

caldera estén parcialmente obstruidos por depósitos

hol1ín.

La indicación de que esto es 1o que está ocurriendo se

tiene cuando el tiro en la chimenea es er correcto, según

especificaciones del constructor y, en cambio el tiro en elhogar es insuficiente. En este caso el origen puede ser

filtraciones de aire después der hogar que no contribuyena la combustión y¡ en cambio si deben salír por lachimenea.

En Ia Tabla 10, se muestra la composición del aire seco.

TABLA 10. Composición del Aire Seco.

72

1a

de

% EN VOLTIMENMOLES

% EN PESO PESO IIOLECULARKglno1

Oxígeno

Nitrógeno

Argón

Anhídrido Carbónico

Hidrógeno

Aire Seco

20.99

78.03

o.94

0.03

0.01

100

23.L9

75.47

1.30

0.04

0.0

100

32

28.OL6

39.944

44.003

2.016

28.967

FUENTE: IW\RSKS. Manual clel Ingeniero Mecánico.

73

La composición del carbono en e1 aire viene representada

por Ia siguiente relación:

C+Oz+3 .7 6 Nz------COr+3 .7 6 N2 (2.L2)

l- + 1 + 3.76

LZ+32+3.76(28.2)

Dividiendo por L2z

1 + 2.667 + 8.84

Combustible Aire Productos

Por 1o tanto, €1 aire requerido será:

(2.667 + 8,84) / | = 11.5 Kg,/Kg de Carbono.

La combustión del hidrógeno en eI aire viene representada

por la siguiente relación:

74

Dividiendo por 4z

1 + 8 + 26.5

Combustible Aire Produetos

Por 1o tanto, €1 aire requerido será:

(8 + 26.5) / 1 - 34.5 Ke/Ke de Hidrógeno.

La combustión del azufre en el aire da:

s + oz+3 .7 6 N2---- SOr+3 .7 6 N2 (2.L4)

1 + 1 + 3.76

32+32+3.76(28.2)

Dividiendo por 322

1 + I + 3.32

Por 1o tanto, €1 aire requerido por kilogramo de azufreserá:

(1 + 3.32) / 1 - 4.32 Kg.

75

En la Figura 15, se muestran los incrementos de consumo de

combustible en función del espesor de La capa de hollín en

las superficies de intercambio térmico ( superficies de

calentamiento.

1/32 PULG 1/16 PULG 1/6 PULG

GAPA DE HOLLIN SOBRE LA SUPERFICIE DE GALENTAMIENTO

FIGURA 15. Efecto del Hol1ín Sobre Consumo de Combustible.

uldt%Fo=oE 6e6L'ot¡Joo5%.fozoo 4rsJt¡tooFz3%I¡¡Et¡¡to22%

76

Y2.8. CANTIDAI)

PRODUCTOS

DE

DE

AIRE NECESARIO PARA LA COUBUSTION

LA COITIBUSTION

Por muy complicada que sea la composición der combustible

de hidrocarburos, €1 carbón, €o fin de cuentas, s€ quema

hasta formar CO2; eI hidrógeno, hasta HIO y eL azufre, hasta

sol. En calidad del oxídante como se mencionó antes sirveel aire. su cantidad ha de ser, naturalmente suficientepara la quema total de todos los elementos combustibles.

Las ecuaciones de balance que muestran los estados de

partida y final de los componentes que participan en las

reacciones, se llaman estequiométricas:

e+Oz = COz (2.ls)

S+oz = SOz (2.L6)

se deduce que para L2 Kg de carbono y 32 Kg de azufre se

deben consumir 32 Kg de oxígenor €n este caso se forman

respectivamente 44 Kg de coz y 64 Kg de sot. por

consiguiente, par'a quemar por completo 1 Kg de carbono hay

que gastar teóricamente 2.67 Kg de oxígeno y para I Kg de

azufre y 1 Kg de hidrógeno respectivamente 1 y g Kg de

oxÍgeno.

77

Una parte del oxígeno necesario igual a 0.01 Or Kg/Kg la

contiene el combustible, la parte restante en cantidad

Moz = Q.07(2-67 c, + 8 H, + sc, or) es preciso

suministrarLa junto con e1 aire. El índice "r" caracteríza

el estado funcional del combustible de acuerdo como este Se

queme como se menciona en el capitulo anterior forma parte

de este la ceniza (A) y la humedad (lü) que constituyen unai:.'".. .:, :; i.-. . : :..,' , : t,,

carga inútil del combustible.

lá densidad del oxígeno en condiciones ,,ot*ales es igual 'a

?.1.43 K9/VI: (masa molecular dividida por el volumen:

de 1 kílomol, €s decir, 43/22.4), el contenido de oxígeno

en el aire seco constituye el O.2I del volumen. Por

consiguiente, €1 volumen de aire (reducido a condiciones

normales ) teór:icamente necesario para quemar en su

totalidad 1 Kg de combustible, es igual, €D mr¡Kg az

vo=Moz/ $,43(0.21-) ) = 0.033Q.67Cr+8H¡+Scr-Or ) ( 2.L7)

El calor que se desprende durante la combustión' es

generalmente referido a 1 Kg de carburante, llamándole

calor de combustión. Puesto que en la reacción¡ €fl igual

medida participan g¿mbién los elementos combustibles

(carburante) y eI oxígeno (aire), es posible también

78

referir este calor a un kilogramo de aire.

Los cáLcu1os muestran que el calor de <<combustión>> del airejunto con el del distintos tipos de carburante varía en

cierta medida, pero puede aceptarse igual, como promedio a

3.8 MJ por 1 m3 (en condiciones normales) de aire que

realmente ha reaecionado. Esta cifra es cómoda para los

cálculos aproximados que aseguran una precisión del orden

los límites del lO% a L5%. Por eso para la evaluación se

puede aceptar Vo = Qi' /3.8.

Puesto que es difíciI mezclar uniformemente el aire con elcombustible, resulta necesario suministrar a1 hogar más

aire del que es necesario teóricamente. La relación entre

la cantidad de aire va realmente suministrado al hogar por

unidad de masa del combustible y la cantidad teóricamente

necesaria V0 como se mencionó anteriormente se Ilama

coeficiente de aire o coefíciente de exceso de aire:

ü^= v^ovo (2.18)

En caso de una organízación normal del proceso de

combustión úa ) L, además, cuanto más perfecto sea el

mejores los quemadores, tanto menor cantidad dehogar y

79

aire excesivo será necesario suministrar. En los hogares

con quemadores eI ua constituye de 1.05 a L.2, y en

hogares def.icientes de 1 .3 a L.7 .

EI coefíciente de exceso de aire para combustible gaseoso

es igual a L.02; 1.03 para combustible líquido, para

combustible sólido es igual a L2, 1.3, 1.5. (Se toman a la

salida del hogar).

2.9. VOLUITIEN Y

COT{BUSTION

COTI{POSICION LOS PRODUCTOS

A1 diseñar las instalaciones termotécnicas conviene conocer

Ia cantidad de gases que se forman pata calcular

correctamente los conductos de gas, la chimenea, elegir un

dispositivo (aspirador de humo) para evacuar estos gases'

etc. Como reg1a, Ia cantidad de productos de combustión

(igual que la de aire suministrado) se refieren a una

unidad de masa de combustible (a 1 Kg pata el sólido y

líquido y a 1 m3 en condiciones normales para el gas).

Estas cantidades se calculan partiendo de la ecuación de

balance material de la combustión.

Al organízar los procesos de combustión, €s decir, oxidar

el carbono hasta que se forme Coz y el hidrógeno, hasta

formar HlO. Habitualmente 1a cantidad de productos de

DE DE

m,'I

80

eombustión incompreta (co, H2), así como de óxido nítricoNo es hasta tal grado pequeña que su presencia no ejerceinfruencia sustancial en el volumen sumario de gases. para

una evaluación aproximada se puede considerar que en

condiciones normales el vorumen de los productos de

combustión vconb de los carburantes sólido, líquido es igualal volumen de aire vr, mientras que el combustible gaseoso,

lo es I va+l ' ya que el volumen de Ia componente principalde los gases de combustión, que es eI nitrógeno, igual que

del oxígeno "excesivo" no varía durante la combustión.

En las reacciones (2.L6) el volumen de gases también

permanece constante. Para cá1cu10s más precisos a pesar de

todo hay que tomar en consideración que durante ra

combustión de un carburante sólido vconb ) va (ordinariamente

en L5% a 2o%) en primer rugar a causa de la evaporación de

la humedad que eI combustible contiene, así.como debido a

la formación de vapor de agua durante Ia combustión de

compuestos que contienen hidrógeno.

Para la quema total se tiene:

Vcmu = WO.+WIzO+O.79d^Vo +0.21 (a" -tl Vo (2.L9)

Aquí 0.2L (a"-tl V" r €s eI oxígeno excesivo del aire que

81

pasa de (<tránsito>> a los

O.79 e"Vo , €s el nitrógeno

productos

del aire que

de combustión;

también pasa de

I'tránsito" ( el nitrógeno del combustible se desPrecia);

IIRO" = VCO"+VSO, es volumen de productos secose1

triatómicos de la combustión.

Puesto que durante la combustión 1 Kmol de carbono y de

azsfre {respectivamente, L2, 32 Kg) según las reacciones

(2.L6\ se forman por 1 Kmol de CO2 v SO2 y el volumen de

1 Kmol de gas perfecto en condiciones normales es igual a

zz.4 1¡3, el volumen de los productos triatómicos de la

combustión en *3/Xg ." igual ai

VRO, = VCO,+VSO, (2.20',)

VRO, = .(.0.0L.Cr/ 12+0.01 Scr /32)22.4 = 0.0168(Cr +0.375 Scr

Dufante la quema de 1 Kg de hidrógeno según la reacción

(2;2O) .se forman 9 Kg de vapor de agua, además se evapora

también: ,tr-a humedad de1 combustible. Para aproximación

ideal gaseosa la densidad del vapor de agua en condiciones

normales es igual a (18 / 22'4) = 0'805 Kglm3' Es posible

degpreciar.el vapor de agua contenido en el aire (cerca de

B2

10 gramos por t *3 ), por consiguiente,

wro=0.01 Hr .9 /0.805 + wt/0.905 =0.111Hr+0. oL24Wr (2.2L

Las fórmulas aducidas permiten calcular también 1a

composición de los productos de Ia combustión, es decir, elcontenido en tanto por ciento de los distintos componentes

de aquella, por ejemplo, Ia concentración de oxígeno Oq =

100 VOZ/Vconb, de vapor de agua HrO = 100 VHrO/Vcomb, etc.

A1 diseñar los aparatos termotécnicos, €s necesario

conocer Ia composición de los gases para poder calcular su

capacidad calorífica que determina la cantidad de calorentregada por estos durante su enfriamiento.

Una importancia aún mayor tiene Ia determinación de lacomposición de los gases en proceso de explotación del

aparaXo, puesto que esto da una idea acerca de1 régimen de

trabajo del hogar o de la cámara de combustión. En

particular, la presencia de notables cantidades de

productos de la combustión incompleta (CO, HZ, CH4) revela

la mala organízacíón del proceso de combustión, mientras

que la alta concentración de oxígeno significa que hay un

exceso muy alto de aire.

83

2.TO. ENTALPIA DE LOS PRODUCTOS DE COITIBUSTION

En correspondencia con el primer princípio de la

termodinámica, La energía no puede crearse ni destruirse.

Este principio significa que debe prevalecer un balance

exacto entre la energía de la entrada y Ia de salida

cualquiera que sea Ia energía que se introduzea o extraiga

de un sistema (Véase Figura 16).

H gaseaKJ/Kg

t gases

Gases VersusFIGURA 16.,i

No puede existir exceso o

o dispositivo, la energía,t

como de calor a trabajo'

completa en e1 conjunto.

Diagrama Entapía de losTemperatura de los Gases.

deficiencia dentro

puede pasar de una

pero debe existir

del sistema,

forma a otra,conservación

84

Por ejemplo, la cantidad de calor entregada por el flujogaseoso en un intercambiador de calor es igual a la

diferencia entre las entalpías de los gases antes y después

del intercambiador puede despreciarse el cambio de alturade tipo, mientras que no se produce el trabajo técnico.

Por eso como base de los cálculos térmicos de los

dispositivos en que se usa el combustible, sirve laentalpía de los productos de combustión, 1a cual suele

calcularse según la unidad de Ia cantidad del combustible

a partir del que se han obtenido estos productos:

Hgas = Vg""Cg,"tt (2.22)

,Aquí , t es Ia temperatura y "*rr,

.f / (u3r ) , La capacidad

calorífica media en la gama de temperaturas OoC hasta toC

de los productos de combustión a una presión constante

referida a una cantidad de su volumen en condiciones

normales. La entalpía Hgr, ". mide en J/Kg o .1,/m3. El calor

específico (referido a 1 m3 en condiciones normales) de los

gases de combustión es algo superior al del aire, puesto

que en vez del oxígeno biatómico en estos aparecen loscompuestos triatómicos CO, y HrO que tienen mayor capacidad

calorífica, sin embargo, Ia diferencia no supera del 5% alLO%. IguaI que en todos los gases, la capacidad caloríficade los productos de La combustión crece con eI aumento de

85

la temperatura. Para cálculos más precisos es posible

encontrarla igual que La capaeidad calorífica de la mezcla

según la composición de los gases:

r.i,¡ L.{.j?' '.: :: - .. r ."::

¡Jr, r¡,il

Donde Ci v ri son el calor específico por unidad de volumen

y la concentración total (en volumen) de los componentes,

puesto que el volumen de los productos de la combustión Ygas

crece con el aumento de aa , entonces su entalPÍa, según

eI método de cálculos aceptando por unidad de cantidad de

calor y no productos de la combustión también aumenta en

este caso. En La práct-i''ca de la go,nstrucción de calderas

el cálculo de.las entalp,ías esüá unificado.y se lleva a

cabo según 1a fórmula:

Cgae = C*rt N, + Coz' Oz + Coz' Co, + C'¡ro' HzO

Hsaa = It$"+ ( co- t) H:

(2.23)

(2.24)

Donde Hi"" es la entalpía de los productos de combustión

de combustible dado a tempsratura determinadauna

l

H:

v

unaua = 1, mientras que es la entalpía de1 aire ( a

misma temperatura) gue es teóricamente necesario pata la

total quema de una unidad de cantidad del

86

combustible dado.

z.LL. ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE ESCAPE

Mediante el conocido aparto de ORSAT puede efectuarse un

análisis de los productos de escape a partir del cual es

posible calcular la relación aire/combustible. También

puede determinarse el grado de efectividad de la

eombustión, y este dato es de vital importancia para el

buen funcionamiento de un hogar o de un motor.

2.L2. PROBLET¡TAS DE APLICACION

Problema 2.I.

El análisis de ciertos gases de escape da los siguientes

porcentajes en volumen: COZ = ,L2.L; Ol = 0.3; CO = 3.3;

H2 = 1.3; CH¡ = 0.3; Nl = 82.7. SuPoniendo que elcombustible sea un hidroearburo de la forma C*H, encontrar:

1. Los valores

2. Establecer

3. Determinar

xyyi

ecuación de combustión.

relación airelcombustible.

de

Ia

1a

Solución:

1. CrHy + a O2 +82.7 N2---->L2.L COZ + (0.3) 02 + 3.3 cO +

87

f.t

en

1.3H1 + 0.3CHO + 82.7 N, + b H2O

donde a

b

: Moles de

: Moles de

- i, ,ox]-geno (en er

vapor de agua

aire suministrado).

(en los productos).

oz = LZ'L +

H2

a=82.7/3.76=22

x=I2.L+3.3+0.3=L5.7

'i

0.3 + 3.3/2 = 14.05 (en gases

b=(22:L4.05)2=15.9

= 1.3 + 2(0.3) + 15.9 = 17.8

secos )

Y = 2 Hl = 35'6

2. Lá ecuación de eombustión es:

3.

ClS.iH3s,O * (22\OZ + 82.7Nl

0. 3CH +82 . 7Nr+15 . 9IIZO

La relación aire/combustible por kilogramo es:

Relación aire/eombusti . =(22+gZ) *(A2.8*28.2) =t3.5Kg(]-5.7'*tZ) + (35.6 *1)

Aunque x e y han sido determinados, Ia composición de1

combustible no queda definida en la forma decisiva. En

realidad puede involucrase más o menos 1 mol de

combustible de tal modo que x e y se reduzca a números

enteros al ser multipl-icados por una constante' Z (CxHy).

88

'Problema 2.2-

Determinar a la salida del hogar, €1 volumen de losproductos de la combustión completa de 1 Kg de carbón de

piedra de la marca K de Ia siguiente composición: Ca =

54.7%; Ha = 3.3%; SÍot = 0.8%i Na = 0.8%; Oa = 4.8%; Aa =

27.6%; trf = 8.0%. El coeficiente de exceso de aire en eI

hogar dh = 1.3.

Solución:

Er volumen teórico de aire que se requiere para quemar

compretamente 1 Kg de combustible, se determina en base a

la fórmula:

Vo = 0.089C.+0 .266Ha+0.033 (S,á¡ -O"l (2.25)

esto es:

v0=0.089 (54.7) + o.266 (3.3) + 0.033 (0.8-4.8) = 5.61 m3/xg

El volumen de los gases secos para ch = 1.3, se determina

con ayuda de Ia siguiente fórmula:

89

Vr.o = VRO.+vtl"* (co-1) Vo (2.26)

Reemplazando por 1os valores correspondientes se tiene:

vg,r=o.0187(ca+0.375 s,iot ) + 0 .7gv0 + 0.8tla/100 + ( cn -1)v0

= 0.OlB7(54.7 + 0.375(0.8)) + O.79 (5.61)

(0.8/100) + (1.3-1)(5.61 = 7.L5 ^3/xe.

0.8

volumen de los productos de la combustión Se determina

base a La fórmula:

V" = Vs.e+WIzO (2 .27 )

esto es:

Yg = 7.15 +t

0.58 = 7.73 m"/KB

2.L3. INSTRTIITIENTOS DE MEDICION PA,RA GASES DE ESCAPE

El análisis de gases de combustión normalmente se teaLiza

con el llamado "APARATO DE ORSAT", con instrumentos

electrónicos o con eI "ANALIZADOR BACHARAT" ' siendo este

último el de más bajo costo, más sencillo de manejar y de

tr-fr'*ffiirJ Atriánonr¡ de 0ccidcnt¡ II sEcctot{ ilisLllIIEcA II*-¿

E1

en

90

poco mantenimiento. un anarizador electrónico puede eostar

varios miles de dólares y requiere frecuentemente chequeo

y mantenimiento.

El análisis de los gases se usa para determinar la relaciónaire/eombustible y evaluar la calidad de Ia eombustión.

En analizador orsat requiere un operario experimentado,

pero es el más conocido en nuestro medio y por tal tazón se

dará una explicación completa sobre su manejo.

2.13.1. Operación del

Combustión. El Orsat es un

porcentualmente en volumen

y otros gases menores como

Aparato Orsat y Análisis de

aparato que permite cuantificarel contenido de CO2, OZ, CO, Nl

CH¡ y Ht.

En la Figura L7, se ilustra un modelo portátil; consta de

una bureta de 100 centímetros cúbicos graduada en su parteinferior de 0 a 20 cil, y de una serie de pipetas de

absorción para determinar los porcentajes de bióxido de

carbono, oxígeno y monóxido de carbono.

Algunos modelos pueden traer pipetas adicionales para ladeterminación directa de nitrógeno u otros gases. La

bureta de medición está inmersa en un tubo de protecciónque permite crear una .chaqueta de agua para asegurar una

temperatura constante en la muestra de gas.

91YálYule rlc entr¡d¡¡ la Plpúe dc co

Válvula d! ontlede Válwla do onttad¡a la p¡pota dc ()2 a ¡¡

Válvula dc rntr.dra la hufotr

FIGURA 17. AParato de Orsat TíPico

Las pipetas contienen soluciones químicas que permiten

absorber los diferentes gases: hidróxido de potasio para

CO2, ácído pirogáIico para 02t y cloruro cuproso para el CO'

Antes de las pruebas, diehas soluciones deben encontrarse

92

aL nivel adecuado en eI tubo capilar, con el fin de tener

los puntos de referencia necesarios para ras mediciones,

2. 13.1. 1. Análisis de Ia t¡Iuestra. El procedimiento para

anaLízar una prueba se puede resumir como sigue: se

introduce una muestra de gas a través de la válvula de

entrada (a) al interior de la bureta graduada (e),utilizando una pera de absoreión y bajando la botellaniveladora (f), la cual contiene el Iíquido (usualmente

agúa) que regula el nivel de muestra de la bureta.Seguidamente se cierra Ia válvula de entrada (a) y se abre

Ia válvula (g) a la atmósfera.

EI gas sobrante

botella hasta que

cero.

Enseguida, abriendo la válvula (d)

niveladora, el gas contenido en

expulsado, elevando e1 nivel de lanivel de líquido coincída con la marca

es

e1

Este procedimiento garantíza que la muestra esté a presión

atmosférica.

En caso de que la muestra tomada no coincida exactamente

con el nivel cero correspondiente a 100 .*3, d"berá anotarse

el nivel, descontarlo en las lecturas posteriores y ruego

porcentualízar de acuerdo con la muestra tomada.

v

1a

elevando la botella

bureta graduada es

93

forzado al interior de la pipeta de COr. Esta contiene una

sólución db hidróxido de potasio que absorbe eI bióxido de

Carbgno. 'Se haCe c'ir'cüla¡da'mgestra vatias vecesi antes

de tomár la lectura para encontrar qué porcentaje de

volumen fue absorbido. Se toma La lectura y se repite la

operación hasta que las dos últimas lecturas coincidan con

el fin de gaxanxízar que todo el COr fue absorbido'

En cada operación es importante verificar que el nivel de

la solución de GOI regrese a Ia posición que anteriormente

tenía en el capilar. Cuando la botella niveladbra se

mahtiene con |os nivéles de agua en (e) y Se pueden tomar

las lecturas, S€ repite eI procedimiento pasando el gas a

tra segunda pipeta que contiene la solución de ácido

pirogálico. En ella se absorbe el oxígeno y el resto del

áas se'. negréSa" a| Ia bureta. Se aconsejan varias

absorciones y lecturas hasta que las dcis últimas coincidan

exactamente.

Cualquier oxígeno no' absorÉido por la solución de ácido

pirogálico, será absorbi'do por el cloruro de amonio y por

consiguiente contará' bomo' monóxido de carbono. Esta

segunda.lecturá' 'boffbbpoñde 'a lbs volúmeines ile COz y 02

contenidos en la muestra.

Por r11üiuio, se repite la,operación en 1a tercera pipeta que

cont'iene éloruro cuproso con el fin de absorbei eI monóxido

94

de carbono presente en la muestra. Esta tercera lecturacorresponde a la suma de 1os volúmenes de CO2, Ol y CO

contenidos en la muestra. En caso de no disponer de

pipetas adicionales se considera que el volumen restantecorresponde al nitrógeno presente en el gas.

2.L3-L.2. Recomendaciones. El orsat debe ser ubicado

convenientemente, libre de corrientes y radiación de calorde calderas cercanas.

Es muy importante tener una muestra representativa del gas.

Usualmente instalando un tubo de cobre de 3/L6,, (o uno de

hierro de L/8", si no se dispone del de cobre) , en un punto

a L/3 deL ancho de la caldera cerca der extremo del últimopaso del gas, se tendrá un punto satisfactorio para la toma

de la muestra. Es también una buena preeaución probar

muestras de gas en varios puntos a 1o largo de latrayectoria, para determinar si hay mucha variación debido

a la infiltración de aire.

2-L3.1.3. Preparación de Reactivos para Aparato de orsat.

2.L3.1.3. 1. Para . Dióxido

355 Er de hidróxido de

purificado cotl alcohol )

volumen de 1000 cm'.

antes de transferirLa a

de Carbono (COl). Se disuelven

potasio ( cp electrolítico no

en agua, diluyendo hasta un

solución se debe enfriarbotella niveladora.

La

1a

electrolítico puro diluido en agua hasta 1000 "*3.

2.L3.r.3.2. Pafa Oxígeno (or) Se disuelven 2OO Er

de ácido pirogálico (resublimado blanco) en 270 cm3 de agua

fría. En otro recipiente se disuelven 224 gr de hidróxido

de potasio en 516 "*3 de agua. En la preparación de la

solución con que se ha de llenar el vaso del Orsat

correspondiente, S€ adiciona a este 40 volúmenes de

solución de ácido pirogálico a 63 volúmenes de La

solución de hidróxido de Potasio.

2-]-3.1.3.3. Para Monóxido de carbono (co). se disuelven

180 Er de cloruro cuproso (cp) en 1000 .*3 de ácido

hidroclórico concentrado (ep), añadir 300 .*3 de agua

y hervir suavemente y aflojar la tapa del frasco para

remover el calor.

95

En reempLazo

preparada

El cloruro cuproso tiene la

solución se debe conservar en

propósito se emPlean láminas o

la solución.

anterior solución a veees se émplea otra

315 gr de hidróxido de sodio

tendencia de oxidarse l¡ la

forma reducida. Para este

alambres de cobre dentro de

de la

con

2.L3.2. Puntos de Toma de Muestras. Tanto si se util.ízan

elementos individualizados para la medida de cada parámetro

como se emplea alguno de los equipos compactos que pueden

96

medir diferentes parámetros, la primera decisión a tomar es

determinar dónde se reaLízará la muestra. En generalr €s

necesario efectuar un orificio de unos 3/B de pulgada para

acceder a la chimenea o ducto de humos.

Por este orificio se introduce La probetar gü€ puede ser

rígida o flexible. Las probetas rígidas pueden ser

expuestas a temperaturas de hasta 525oc, mientras que las

flexibles admiten hasta 390"C.

Para calderas pequeñas se puede tener en cuenta larecomendación de localizar el punto de toma de muestras 1o

más cerca posible de La cámara de humos y, al menos de seispulgadas de Ia distancia de la c,ara del horno en que se

encuentra eI regulador de tiro (si se quema fuel) o eldesviador (si se quema gas)

Para carderas grandes er punto de toma se debe rocaLízar

después de1 ú1timo elemento cambiador de calor(economizador, recuperador) con 1o que la temperatura de

humos será función de la efectividad de estos erementos.

sin embargo, cuanto más lejos del economizador se sitúe latoma, mayor cantidad de calor se habrá podido disipar a

través de Ia chimenea y, por consiguiente, menor exactitudse tendrá en las concrusiones que se infieran de lasmedidas realizadas.

97

Otro factor a tener en cuenta son las turbulencias que

pueden provocar Ia toma o las turbulencias propias de los

gases de combustión. Habitualmente haciendo las tomas a

8.5 diámetros de dist.ancia de un codo u otra causa de

turbulencia se eliminará este efecto.

Fa,ra estar seguro de...la fepressnta:tiwidad' de una muestra en

chiméheasiJ'riir.ér ' :éündtictos::i dé di.¿imb-uro' -:jrimpo:ñtdr,rte¡;' .:-és

conveniente real-j,zar diversas tomas a distintas

profundid.ades y promediar los "resultados'.'':.'....

También hay que evitar

de toma o por otros

aumentará falsamente el

j.

Ias entradas de aire Por los Puntos

puntos, porque en este supuesto

porcentaje de Or.

2.I_3.3. Test de COZ. Ya se ha dicho que la cantidad de

COI se puede utilizar como parámetro indicador del exceso

de aire. La medida se tea!íza absorbiendo una Fuestra de

los gases de eombusti,ón, que Se ar¡aLíza mediante alguna de

las reaeciones típicas. Por ejemplo:, el FYRITE emplea el

conocido método Orsat de medida volumétrica efectuando Ia

absorción de la muestra de gas por rnedio de ufl.a solución

qúímica: " -i " :: "" ; "':

Consta de un cuerpo de p1ástico transparente con dos

depósitos, uno superior y otro inferior. El fondo del

depósi.to inferior 'está cerrado herméticamente por un

diafragma de caucho sintético que

de metal perforado.

98

descansa sobre una plaea

El depósito superior lleva una válvula de doble asiente que

1o comunica bien sea con la atmósfera, bíen sea con eldepósito inferior a través de1 cuerpo.

Par hacer un análisis con este aparato se introduce eltubo de toma de muestra en el gas a analízar.. EI otroextremo del tubo se apoya en una válvula resorte que abre

un paso al depósito superior y cierra el paso a lacomunicación con el depósito inferior. A continuación se

bombea una muestra de gas al depósito superior por

accionamiento de una pera (conviene hacer varíos

accionamientos para asegurarse de que el tubo de toma y eIdepósito superior están totalmente libres de la muestra

anaLízada anteriormente). A1 hacer la últiura presión se

retira el tubo con eI que queda cerrada la cámara superiorconteniendo 60

"*3 de gas.

En el cuerpo central se enrasa el cero de la escala con elnivel de líquido. Se invierte el aparto, obligando a lamuestra de gas a borbotear a través del líquido reactivoque absorbe el CO2, creando una depresión que obliga aldiafragma a contraerse.

Al volver el aparato a su posición normal, la contracción

99

de1 diafragma provoca una

conducto central indieando

porcentaje de COr contenido

elevación del Iíquido Por

díreetamente en la escala

en el gas absorbido.

eI

e1

E1

de

objetivo debe ser siempre alcanzat el Máximo porcentaje

COt compatible con unos humos satlsfactorios.

Cuando'tan sólo son necesarios pequeños ajustes, un 10% de

COI con una lectura de humos del número 2 ( se verá

posteriormente), puede considerarse satisfactorj-o. Si se

quiere ajustes o reparaciones de mayor importancia, se

puede seguir la siguiente regla:

Cuando la,tempetatura neta de los gases es menor de 200oC'

se puede tolerar como máximo un 8% de COZ.

Cuando la temperatura neta de los gases está por

los 260oC, se debe al-c,anzat, al menos, un 9% de

encima de

coz'

Un bajo porcenta:ie de COI es indicatfvo de laguna de las

siguientes condiciones que cleben corregi-rse:

Tiro excesivo.

Exceso de aire en combustión.

Universidad AutÚnoma dc Occidcntc ÍsEccl0N BlBLl0'rEcA I

Filtraciones de aire.

100

Hogar incorrecto o defectuoso.

Mala pulverización del fuel.

Boquilla gastada, obstruida o incorreeta.

Defectos en el ventilador y conductos de aire.

Mal funcionamiento del regulador de tiro.

Presión de fuel incoirecta.

Si hay mucha diferencia entre las lecturas de COI con

muestras tomadas en el conducto de humos y en eI hogarr €s

indicativo de filtraciones de aire y otras condiciones de

combustión insatisfactorias.

2.13.4. Test de O2. El porcentaje de COZ presente en losgases de combustión varían para un mismo exceso de aire en

función del combustible que se emplea. EI porcentaje de

oxígeno, al contrario, permanece prácticamente constante.

Otra ventaja de uti1ízar eL O, como indicador es que no se

encuentra presente cuando los excesos de aire son muy

baj os

Es difícil recomendar un exceso de aire determinado, puesto

101

qué éste'.es'.función dét materlal qt¡e;s'e ütiLíza. Si este

es: efi'ciérité itebe bastar cc'n' excéSos: :dej':a'i're éompfendidds

entr'é é1' 16%') y el 35% (3%-'aj:5%i'de Oi) . Equipos-péqueñÓg'con

menos rehdimi-ento operari entre un 3'0'% y 7'5% (5%' y 9 ":3% -de

Ol ) de ex'ceso de aire. La medida del O, se hace siguiendo

el mistto principÍ-o " que para medir CO2 , utilizando e1

reactiVo adecuádo. La Figura 18, nuestra Ia reldción

entre O2r CO2 y excéÉir de aire....:!. ..tr- u :.1,,.t:i,li j.: :::..-,.i..,..,._ r,

:<t¡¡zt¡J

=Io.Jzl¡¡

d.o'ol''cfl¡¡oz

',]U-fJozu¡

¡e

% EXCESO DE AIRE

Relación entre Oi, CO¿ y Exceso dé Aire.

da anlraclla

bltumlno¡o

FIGUR^A" 1.8.

LO2

2.13.5. Test de Temperatura. La temperatura de los gases,

como eI exceso de aire, varÍan según cuál sea eI equipo que

se utíTíza. También aquí }:.ay que atender a las

especificaciones del fabricante; sin embargo, s€ puede

utilizar Ia siguiente guía para pequeños equipos:

Quemadores de fuel en calderas proyectadas para carbón:

245"C a 350'C.

Unidades previstas

240" C.

inicialmente para fuel: 180oC a

Quemadores de gas con conducto de humos exterior; 22O"C

a 295"C.

Para equipos grandes hay que instalar economizadores para

que estas temperaturas sean menores.

Las causas de temperaturas de humos elevadas son muchas y

variadas, pero se pueden ít deteetando en combinación con

otros parámetros.

Por ejemplo, si hay poco exceso de aire hay que pensar en

ensuciamiento de Ias superficies de intercambio. Si elexceso de aire es importante, un tiro excesivo puede ser lacausa. Si el exceso de aire es correcto y las superficiesde intercambio de calor están limpias, hay que pensar que

103

é1. defecto es de'diseño de las superficies de intercambio.

Las medidas se efectúan eon un termómetro de chimenea que

se puede introducir por el mismo orificio que sirve para la

toma de muestras.

2.L3.6. Test de CO. Es el mejor indicador de combustión

incompleta cuando se quema gas. Recuérdese que es uno de

los productos de una combustión incompleta y habitualmente

va acompañado de unq cqncentraeión equivalente de hidrógeno

(t) no quemado.

Las concentraciones de CO no deben exceder de 400 p.p.m.

(0.04%), valor especificado en algunas legislaciones y

recogido en los datos suministrados por mayor parte de

fabricantes.

Como :causaS de la presencia d9 CO en los gases de

combqqfíóp Fe pueden citar todas las que producen humo

cuando se quema fuel". Fara medir pangq*tr9c+9.,q"". 1."

CO en

los gases de combustión se puede utilizar el nonoxor o

cualquier otro aparato parecido.

La muestra de gas se toma por el mismo orificio de conducto

de humos usado para el test de1 COl. La muestra de gas se

aspira primero dentro de la cámara del monoxor y luego Se

iprpulsa a través del tubp indicador del mismo.

104

Este tubo indicador se inserta en el conector de goma del

monoxorr gu€ va provisto de una bomba de succión operada

manualmente por un botón en su parte central.

El tubo indicador de1 monoxor está lleno de un producto

químico de color amarillo sensible al CO. El contenido de

CO de Ia muestra es absorbido por este producto químico,

que cambia de color volviéndose marrón oscuro la longitud

de esta mancha de marrón es directamente proporcional alcontenido de CO, que se puede leer en la escala que l1eva

incorporada el aparato. El tubo se puede usar para dos

tests invirtiéndolo, siempre que la mancha del primer testno sobrepase la mitad de la zorta llena del reactivoamarillo.

Este sistema de medida se utiliza para gases diversos,

cambiando los reactivos.

2-L3-7 - Test de Hurnos. El humo es eI mejor indicador de

combustión incompreta en 1os quemadores de combustibre

líquido. Los medidores de opacidad de humos utilizan elprincipio de comparar la traza qve dejan los humos en un

papel de filtro con un patrón.

La experiencia ha permitido numerar las tonalidades de estepatrón y derivar conclusiones prácticas de la comparación.

como se traxa de técnicas convencionales, no se deben

105

utilizar escalas de unos

porque se podrían s-acar

aparatos como referencia de otros,

conclusiones erróneas..

La escala de humos BACHARACH, está numerada del

corrésbondiente-al blanco, hasta el O, negro.

Con una bomba adbcuada se toman 22OO "*3 de gas de

combustión (diel áspiraciones completas) conduciéndóIas a

través de un papel filtro de trama standard sobre un área

circular de 36 tn*2. La mancha hEí obtenida, irlcolora, de

color gris o negro, s€ compara con la eseala' antes citada

y se obtiene una referencia que junto con la indicación de

COI y La temperatura de los gases, permitírá realízar los

ajustes precisos del quemador. La aspiración de gases se

debe real-izar cuando eI quemador 1leve funcionando al menos

cinco minutos.

Como ejemplo del significado de las distintas tonalidades

de la escala de humos Bacharach, a continuación Se citan

las cinco primeras tonalidades:

NT'UEROBACHARACH

1

2I -.i.,

:,: ,i

CAMCTERISTICAS DE LA COI¡IBUSTION

Excelente. Hollín prácticamente nulo.

Buena. Ho11ín presente en valores muyreducidos, solo en ciertos tipos degeneradores. Temperatura de humos sin

'incrementoiápreciablé."t' i' :''

:Medi.aná;, Ciertá' carrtidad deihollin puédét:

106

estar presente. Normalmente no seránecesario limpiar más de una vez al año.

Pobre. El humo comienza a ser visible.Algunos generadores se ensuc'1-anrápidamente con el hollÍn; otros sólomoderadamente.

Muy Pobre. En todo tipo de generador seproducen ensuciamientos, exigiendo variasoperaciones de limpieza al año.

A partir del número 5 las combustiones son inadmisibles.Nótese que un mismo número de opacidad no produce siempre

los mismos depósitos de hollín. Depende del tipo de

generador, del tipo de combustible y de otros factores.

En la Figura 19, se resume el resultado de un conjunto de

experiencias realízadas que permiten comparar las pérdidas

de combustible, la disminución der rendimiento o eficienciade la combustión y el incremento de la temperatura de los

humos, con los primeros valores de opacidad de humos de laescala Bacharach. Los valores se han medido después de

funcionar del orden de ochocientas horas en cada posición.

2.13.8. Test de Tiro. De todo 1o que se ha dicho

anteriormente se infiere que Ia medida del tiro es esencial

en el test de eombustión, puesto que el tiro determina lavelocidad a la que los gases de combustión pasan a través

del horno o caldera.

La intensidad del tiro también determina la verocidad a la

LO7

que fluye el aire- secundario '(tifo hatural- o'inducido)'Ó a

la que es impulsado:-('tlrb forzado) hacia el interior del

equipo..'' .:.:.,i

Porortrlr de páfdld| doiÉombustlblr on l¡.cbmbu¡tlón ": ' ;

//

'lncrcmcnto roblo la trmpalatura do los humos collacta. Enoc

ol2tata

ilúmoro osc¡la do humos Baéharach

Conrllcloncs al Inldar la prucbai

I O% CO2 y 250'G tompor¡tura ncta

FIGURA f9. Efecto del Humo en los Gases, €D laTemperatura de los Mismos, Consumo de Fuel yEficacia de la Combustión.

Como se ha visto anteriormente, üD exceso de aire

insuficiente puede causar humos espesos y altas

Porccntalc de dlsmlnuplón dcl rcndlmlcrito

concentrac.iones de CO. Demasiado

tener temperaturas de salida de

tanto, mayores pérdidas.

108

exceso de aire significahumos más altas V, por

Para la medida del tiro deben hacerse dos lecturas, una en

Ia misma zona de combustión y otra en el conducto de humos,

en el mismo orificio donde se han efectuado las otras

mediciones.

Se puede utilizar manómetros inclinados, que sirven para

medir tiros positivos y negativos y de cualquier tipo u

otros aparatos específicos para un tiro no menor de

0.5 mm. c.d.a. Este valor debe ser suficíente para iniciary mantener una buena combustión, si es menor de 0.5 mm.

c.d.a. habrá escape de humo y olores.

3. ESQUEIIAS DE GENERACION DE VAPOR

3.1. QUE ES EL VAPOR ?

Como otras sustancias, el agua puede estar en estado

sólido, llamado hielo, €fl estado líquido, gu€ es cuando se

le llama agua, o como gas que se conoce como vapor.

Si se añade calor aI agua, su temperatura aumenta hasta que

alcanza un valor a partir del cual ya no puede subir como

líquido, a este valor se le denomina punto de saturación.

Cualquier nueva adición de energía provoca que parte del

agua hierva y se convierta en vapor.

3.1.1. Por Qué se Usa el Vapor ?. El vapor ha sido

utilizado como vehículo de energía desde la revolución

industrial. Después de su primera utilización para

preparar alimentos, se ha convertido en una flexible y

versátil herramienta para la industria ya que eI vapor se

produce evaporando agua que es relativamente barata y

accesible en gran parte del mundo.

i.T-':-' --I u''*"dll1,áitT¡f,ffiffi.1

110

La energía química contenida en el carbón,83s u otro

combustible de caldera se convierte en energía ealorífica

al quemarse éstos. Esta energía calorífica se transmite a

través de las paredes del hogar de la caldera hasta el

agua. EI vapor que se genera en la caldera se debe

transportar mediante tuberías a los lugares donde se

requiere energía calorífica.

En primer lugar, habrá una o más tuberías principales o

tuberías de distribución, desde Ia caldera hasta las zonas

consumidoras de vapor. A partir de estas tuberías otras de

menor diámetro transportan e1 vapor hasta los equipos

individuales. Cuando la válvu1a de salida de la caldera

se abre (lentamente) el vapor sale inmediatamente hacia la

tubería de distribución. Puesto que ésta, inicia]-mente'

está fría, el vapor le transmitirá el calor.

El aire que rodea las tuberÍas también está más frío que el

vapor, con 1o cual e1 sistema a medida que s'e calienta

empieza a írradíar calor al aire. Esta pérdida de calor a

la atmósfera provoca que una parte del vapor condense, El

agua formada por condensación cae a la parte baja de Ia

tubería y circula empujada por eI flujo de vapor hasta los

puntos bajos de la tubería de distribución.

Cuando una válvula de un aparato consumidor de vapor abre,

este vapor que procede del sistema de distribucíón entra en

111

el equipo y vuelve a ponerse en contacto con superficiesmás frías. Cede su entalpía de evaporización (la entalpíaque produce un cambio de estado de líquido a gas sinvariación de temperatura) y condensa, Se establece un

flujo continuo de vapor que sale de la caldera. para

poderlo suministrar se debe generar vapor continuamente.

Por ello, se inyecta combustible al horno y se bombea agua

a la caldera para compensar la que se evapora. Se sabe que

La entalpía específica der agua saturada aumenta en 4186

KJ/Kg cuando la temperatura aumenta loC.

Si se introduee agua caliente en Ia caldera en lugar de

agua fría se deberá añadir menos entalpía para llevar elagua a su punto de ebulliciónr con la eonsiguient.e

reduceión de 1a cantidad de combustible necesaria para

generar vapor.

El condensado que se forma en ras tuberías de distribucióhy en los equipos de proceso se puede utilizar para esta

alimentación de la caldera con agua caliente. por ello,los sistemas básicos de vapor (véase Figura 20) se deben

complementar como se muestra en las FLguras 2L, 22 y 23,

que son esquemas de generación de vapor . La Figura 24,

muestra un esquema tecnológico de producción de vapor en

una termoeléctrica que trabaja con carbón, y la Figura 25,

muestra un generador de vapor de tipo paquete.

rL2

RELACION DE PARTES: a) Clrculedón n.tural;b. Glrculaclón torzada; c. Clreulacló¡r dhocta:d, Glrcr¡laclón comblnada: l. Ecot|omlz¡rlor; 2.Prntallas de radladón o suporfclca dccyeporadón; 3. Rscalsmadol ds Vrpor; 4. Domosopararlor; 5. Bomba de allmcntedón; 6. Bombadol agüa dc clrculadón: 7. Tuboe balanlca: 8.Colocto? Infcilor; 9. llozdador: tO. Yálvula derótorno; 11. Válvula d. peeo; 12. Bomb¡ d.clrcr¡laclón do agua.

FIGURA 20. Esquemas Básicos de Generación de Vapor.

I

¡

I

CABEZAL DE VAPOR

I

Diagrama de una Planta deRudiment aria.

FIGURA 2L. Potencia de VaPor

113

+-

<'- - - - - iCo¡d.n.rdo

Eomba daAllm.nt!clón Trnqu. .lc

Allm.nteclón

FIGURA 22. Circuito de Vapor.

RELAGION DE PARTE$: ¡. Plrnt¡ dc gcneredón por @nddtreclón (produco sol.montecncrgfa clóctrlca)¡ b. p¡.nta de gcnereclón comblnrda (pl¡nt. do cogcnor.dón). f.Ca¡düa¡ 2. TuÉlne rla Yapot: 3. Gtnüador ctáctrlco¡ {. Cordensador; 5. Bomba do' condcns¡do; 6. Bomba do ¡llmütacl6n= 7. prrcalcntador dc b¡lr prcelón; g.Procalont¡dor dr alte prcelón;9. Dosalro¡dor; lO. ptocatontador dc egue da coneumo;11. Extlacdón dc vapor Influrtlr¡l;1?. Equrpo do t?atamlento da agu¡.

FTGURA 23. Esquemas sencillos de plantas de Generaciónde Vapor.

¡I

I

I

l

)I

I

I

*I

I

I

I

I

I

)

{

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*b)ta)

Agu¡ trrtüd.

114

s¡!t

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!:i¡ It¡ 3

! :E É ;i:;E E: i.:F¡i il €!i;E5 lE c ! ¡E

iiiiiiíiiii;i'ili n i e a ¡iP r * !¡ ¡i * *' d i s'

€aE.

E.€ E t,'"Ei i ;E:É;::i í¡:":i E .f!i ii ¡

l¡iiiiiiiiiiiii¡ii¡i

Esquema Tecnológico de Producción de Vaporen una Termoeléetrica que Trabaja conCarbón.

FIGURA 24.

115

FIGURA 25. Generador de Vapor de Tipo Paquete.

4. BALANCE TERMICO EN LAS CALDERAS, SU RENDIT{IENTO

Y CONSIIT¡TO DE COMBUSTIBLE

Llamase balance térmico a Ia igualdad der caror introducido

en eI equipo de la caldera, aI quemar el combustible, en elcalor aprovechado y las pérdidas de calor. El balance

térmico de un generador de vapor se compone respecto a una

unidad de masa del combustible quemado, o sea un kilogramo

de combustible sólido o líquido, o para un metro cúbico de

combustible gaseoso, conforme el estado térmico estabrecido

del equipo de la caldera.

4.L. ECUACION DE BATANCE TERITIICO

La ecuación del balance térmico en KJ/Kg,KJr/n3, es:

Qtd = Qt + Qt + Ql * Q¿ * Q¡ * et (4.1)

o bien, €D tantos por ciento del caror 'disponibre delcombustible:

% = (a¡/a¿)100 o sea, 100 = el+92+93+9¿+e5+q, (4.2)

a1 = (Q¡/Qa¿)1o0; q2

En las ecuaciones ( 4. 1 ) Y (4 -2) z

= (Q2lQa6)roo' .erc

LL7

Donde:

Q,A

Q1(o1)

Q2 ( e2)

Q3 (o3)

Qa(ea)

Q5(o5)

a6(q)

(4.3)

(4 .4)

Calor disporrible o sea 1o que le entra al equipode caldera.

Calor aprovechado en el equipo de caldera paraobtener vapor.

Pérdidas de calor eon humos o gases de escape'

Pérdidas de caLor por combustión químicaincompleta.

Pérdidas de calor Por la combustiónmecánicamente incomPleta .

Pérdidas de calor al medi-o ambiente.

Pérdidas en forma de calor físico con la escoria( cenizas qt¡e salen al medio ambiente con unatemperatura relativamente alta) .

El calor disponible (KJ/Kg, KJ/m3) por 1 Kg de combustible

sólido, líquido o por 1 m3 de combustible gaseoso se

determina a partir de las siguientes fórmulas:

Donde:

Qai Y Qsi :

Qtd = Qti * Q.o. * %.iut * Qrp -'Qr*

Qtd = Qti * Qro, * %.iot * Qrp(4.s)

Poder calorífico inferior de Ia masaaprovechable del combustible sólido y 1íquidoy la masa seca del eombustible gaseoso'

Qro,

Qa, int :

Qrrp

Q,,,

1187

KJlKe(KJ/m').

: Ca.lor físico de1 combustible.

Calor introducido con el aire pero calentado enun medio externo del equipo dq caldera(precalentador de aire), KJ/Ke (KUmr).

: Calor que entra al hogar con eI vapor utilizadopara atomizpr fuel-oi1 o combustible líquido,KJ /Kg ( KJlm') .

Calor invertido para la descomposición decarbonatos durante la combustióncombustible só1ido, KJ/Kg.

1osde1

4.2. CALOR FISICO DEL COITIBUSTIBLE

Se calcula mediante la siguiente fórmula:

Donde r C'rorb :

+."conb

^FAQcot = c'conb tconb

Capacidad calorífica ¿'e fa masadel combustible, KJlKe.K) .

Temperatura del combustible ael hogar, oC.

(4.6)

aprovechable

Ia entrada en

4.3. CAPACIDAD CALORIFICA DE LA MASA APROVECIIABLE

La capacidad calorífica de Ia masa aprovechable del

combustible:

C" "*n = Cs"*,ol9iA#t +CnzoL (4.7 )

Donde Ctrorb, CHz0 : Capacidades caloríficas de Ia masa seca

119

Antracita

Carbón Pardo

de1 combustiblerespectivamente ,

sólido yKJ/(Ke.K).

el agua

Los valores de Ctrorb para algunos combustibles son!

0.92L.

1.088.

Esquistos

Carbón de Piedra

Turba Fresada

= | .046.

o .962.

L.297.

(4.e)

(4.8)

EI calor físico del combustible se toma en consideración

siempre que este esté calentado previamente fuera de la

calderar por ejemplo calentador de aire a vapor.

El calor introducido al hogar por el aire es:

Qa.tn¿ = unVoClPAt, o

La capacidad ealorífica del mazút es:

Ctrorb = L.74 + 0.0025 teonb

üa.int = üV!¡r"Ctp ( t.t.- t^.trtol KJ/ Kg

Donde gh

\fCoeficiente de exceso de aire en el hogar.

Volumen teórico de aire que sQ necesíXa paraquemar 1 Kg de combustible, m'lKg.

Capacidad calorífica media volumétrica delaire a presión constante, a Ia temperatqradel aire de ahasta 300oC, C'p = 1.33 KJ/n"K.

c'p

@

At : Diferenciacalentado

de temperaturasfrío, oC.

120

del aire

4.4. CATOR INTRODUCIDO

CON VAPOR

EN EL HOGAR AL EFECTUAR EL SOPLADO

El calor introducido en el hogar al efectuar el soprado con

vapor

Qtp = w'rp (\rp 22601, (4.10)

Donde l'i,rp y hrrn son el gasto y la entalpía del vapor

utilizado para el soplado y la pulverización del

combustible, respectivamente, (Kg vapor de aire ) / (Kg

combustible ) y KJ /Kg; para eI soplado %rp = O.7 a 0. g

Kg/Kg; para Ia pulverización efectuada mediante losin5rectores de vapor l^Iurp = 0.35 Re/Kg; mediante inyectores

mecánicos de vapor WrrO = 0.03 a 0.035 Kg/Kg, 2260 es laentalpía del vapor de agua tomada a ra temperatura de

salida de los gases de la caldera.

4.5. CALOR INVERTIDO PARA DESCOIIPONER LOS CARBONATOS

DURANTE LA COI|BUSTTON DE LOS ESQUTSTOS

calor invertido para descomponer los carbonatos durante

combustión de los esquistos es:

EI

Ia

(4.11)

Donde K es

carbonatos.

e1 coeficiente de descomposición de los

4.6- CALOR APROVECHADO EN Et EQUTPO DE LA CATDERA (Ql)

Qr., = 40.6 K(Co2)as¿¡

El calor (KJ/Kg)

o

ar=T lhn.r-ha.a)

Donde h, V h,

om"

a

aprovechado en el equipo de la caldera es:

(h"."-h^.") I *¡ñr., (¡¡y.E-ha.a) (4.L2)

(4.13)

L2L

* ñ,u'otB

oonde d,r, \,, son el gasto de vapor recalentado y saturado,

respectivamente, Kg/s; B el gasto de combustible, Kg/s;

hv.r, hv.s, ha,a, las entalpías de1 vapor recalentado y

saturado de la caldera y eI agua de alímentación

respectivamente , KJ /KE; mpurga e1 valor del barrido

continuo, %.

4-6.1- Calor Aprovechado en Ia Caldera para Calentar Agua'

El calor aprovechado en la caldera pata calentar agua:

o, = # (hz-41

Entalpías del agua que entra en Ia calderay sale de ella, respectivamente, KJ/Kg

Gasto de a9va en Kg/s.

4.6.2. Calor Ultimamente Aprovechado en el Equipo

Caldera. EI calor ("A) últimamente aprovechado en elde la caldera:

e1 = (Qr /Qal loo

4.7. PERDIDAS DE CALOR CON LOS GASES DE ESCAPE

- Haire frío

1 ) Hoai¡e - Haire frío

]-22

de la

equipo

(4.L4)

Las pérdidas de calor (KJlKg) con los gases de eseape (Qr )

dependen de la unidad de combustible, que la tgrses sea altaY AZ alto.

si las paredes o superficies en el hogar se encuentran

sucias, la transferencia de calor disminuye por 1o tantolos gases de combustión sardrán a una temperatura de 120.c

a 160"c muchísimo mayor que la temperatura del medio

ambiente, existiendo un A t que podría ser aprovechado.

Q2 = Hgases

Q2=tor+(c

Donde:

Hoo = VoC'p to: Entalpía teórica de los gases de escape.ÉÉ-tsVo : Volumen de los gases de escape.

É

c'p : capacídad calorífica volumétrica media de

(4.ls)

L23

los gases a presión constante.

4.8. PERDIDAS DE CALOR POR COMBUSTION QUII'IICA INCOMPLETA

(Q3 )

Las pérdidas de calor (KJlKe) debidas a la combustión

químicamente incompleta (Q3) los productos de esta son: CO'

Hz, cH¿ (gases).

Q3 = Q¿6v¿s* Q*rv*r* Qenrvc*, &,J/ Kd ( 4 . 16 )

Donde a : Poder calorífico de cada elemento.

ez =L26.AV*+LOgVrh+358.2Va\ (4.L7)

Estas pérdidas dependen principalmente del exceso de aire

y de Ia car+a de la caldera. La Figura 4.L, muestra el

exceso de aire versus 43.

4.8.1. Mezcla Completa Ideal (Cámara Perfecta). si la

cámara es perfecta, LA condición para la cual se pueden

presentar pérdidas de 93 es cuando el exceso de aire es

menor que 1.0 (Véase Figura 26) -

4.A.2- Carga Real (Quemador Real). Como el quemador es

real, si el exceso de aire es igual a 1.0, existirán

pérdidas por tal raz6r- se requerirá de un exceso de aire

mayor al ideal.

r24

0.80

FIGURA 26.

1.O2 1.06

a3 Versus Coeficiente de Exeeso de Aire.

4.8.3. Carga Baja (en el Arranque de la Caldera).

si La car'{a es baja la velocidad de reacción es también

baja para un mismo exceso de aire, de igual manera ratemperatura de combustión será relativamente baja. Esto

conlleva a que 1a mezcla aire-combustible sea de mala

calidad.

4.9. PERDIDAS DE CATOR POR COMBUSTION IIECANICA INCOMPLETA

(Qr )

Las pérdidas de calor (KJlKg) debidas a la combustión

l.2p

mecánicamente incompleta (Q4 ) representan la Suma de las

tres eomponentes: las pérdidas de calor con la escoria q.es

(KJlKg), Ias pérdidaS de calor debidas a La caíd'a del

combustible a través de la parrilla Q¿p (KJ/Kg) y las

pérdidas de calor debidas al arrastre de partíeulas de

combustible por los gases de escap" Q.ttt (KJr/Kg), o sea'

Qa=Q*"*QrP*Q*ttt

Las pérdidas de calor (%)

mecánicamente incomPleta son:

Donde A,

aes*P t *arc

crr*p ' crr, :

qo= Ql1oo=327 Aa ("---^ = =?"'! *d^r,z4

e"a- - -

Oao '"ee+P 100-L""*o

(4.18)

debidas a 1a combustión

c"r, (4.r.e)100 -ca¡f

contenido de cenizas en el combustible, %-

Porciones de cenízas contenidas en Iaescoria , caídas a través de la parrillay arrastradas' respecto de La cantidadde cenizas introducidas en eI hogar conel combustible, %.

Contenido de elementos combustibles en laescoria, caídos a través de la parrillay arrastrados por los gases de escape' %-

Estas pérdidas (O4) dependen del tamaño de,las partículas

de combustible (granulometría). Si estas partículas son

demasiado pequeñas pueden ser arrastradas por los gases de

combustión y salir del hogar sin Ser quemadas, también

dependen del exceso de aire y del porcentaje de volátiles.

A menor porcentaje de

mayor cantidad de aire

Q4 aumenta. La Figura

aire.

volátiles, elpor 1o tanto

27, ilustra

. L26

combustible requiere

el riesgo de pérdidas

e¿ versus el exceso de

,r*

,rs

{ou a ra+

{ou zqaqb

s¿r .t

FIGURA 27. g¿ Versus Coeficiente de Exceso de Aire.

Si el exceso de aire ( c ) es mayor que el u óptino, la

temperatura de reacción disminuye y por ende la velocidad

de reacción bajará, además se obtendrá mayor volumen en

aire y en Eases, las partículas no estarán el tiempo

suficiente en la zona de combustión.

t27

4.10. PERDIDAS

HOGAR Y

DE CALOR

COI{DUCTOS

POR ESTRUCTURAS DE PROTECCION DEL

DE GASES DE COIÍVECCTON (Q5).

Las pérdidas de ealor (KJ/Kg)

de protección de1 hogar Y de

convección (Q5) son:

a través de las

1os conductos

estructuras

de gases de

Qs = (c"*orr) (tp*ea- t.orp¡.n¿") xJ/ xg (4.20)

Coeficientes de transferenciaconvección y radiación.

= 55'C media.

Area.

Combustible.

de calor por

AE

Donde ü ct r '

tpared :

A:

B:

Q5 = Qredio A/B: gnedio = 0-2 a 0.3 Kl,rl/m¿

Q5 = (Q5/Q¡) 100 = 0.I% a 0.5%

(4.2L)

( 4 .22)

4.11. PERDIDAS EN FOR}'IA DE CALOR F'ISICO CON LA ESCORIA (Qú)

Las pérdidas en forma de calor físico con escoria (Q6)' se

refiere a las eenizas que salen al medio ambiente eon una

temperatura relativamente alta. Se tiene en cuenta cuando

las cenizas estén en el orden de 1400'C (cenizas líquidas).

d"JC"t.t""

L28

(4.23)Q[e = ñ.vi

Donde aes = 1 - dar, : Fracción de escoria líquida.

A : Fracción de escoria del Combustible.

aesc : aesc = 0.05 0. 1

La Figura 28, muestra la dependencia de las pérdidas con

relación aI exceso de aire.

1

FIGÜRA

oGpt

28. E q; Versus Coeficiente de Exceso de Aire.

L29

El exceso

sumatoria

e1

SU

de

de

aire óptimo se encuentra en

todas las pérdidas presente

punto donde la

valor mínimo.

La Figura 29, ilustra el balance térmico de una caldera de

vapor, los índices h, c, 4t, y esc sígnifican

respectivamente el hogar, €1 conducto convectivo de gases

de escape, arrastre con los gases de escape y la escoria.

o:

o:

q" c

Térmico deFIGURA 29. Balance una Caldera de Vapor.

130

4.I2. RENDIMIENTO DE UNA CATDERA

El rendimiento de una caldera caracteríza la economía del

funcionamiento del mismo y representa la relación del caloraprovechado en el equipo de caldera al calor disponibre del

combustible, o sea:

\Y.o = (o,/ oi) too (4.24)

o bien:

l|i" = 1-oo - (e2*e,*ea+gs+ge )

E1 rendimiento de una instalación

equivale al rendimiento del equipo

los gastos de calor para las

(alumbrado, accionamiento de las

etc), o sea:

(4.25',)

de la caldera (neto)

de caldera descontando

necesidades propias

bombas, ventiladores,

(4.26)

Donde Qo.o, : Gastos de calor para las necesidades propias(KJls).

4-12.L- consumo de combustible. Durante ros cálculos

térmicos de los equipos de caldera se distinguen el consumo

natural de combustibte B y el consumo de cáIculo BrUr.

131

El consumo natural

la fórmula:

(Re/s) de combustible se determina según

(4.27 )

Rendimiento del equipo de caldera (bruto),en %.

Flujo másico de purga.

s,=

calculado (Ke/s) de

cuenta la eombustión

combustible se determina

mecánicamente incompleta :

Br=l(1 -q{/loo) (4.28)

Donde qO : Pérdidas de calor por combustión mecánicamenteincompleta, %,

4.13. PROBLEIT{AS DE APLICACION

Problema 4.1.

En e1 hogar de un equipo de caldera se quema carbón pardo

de la marca P2 de la composición: Ca = 37.3%; Ha = 2.8%;

Strol = 1.0%; Na = 0'9%; oa = LO'5%; Aa = 29'5%; !ü0 = 18'0%'

Determinar en KJ/Kg y en tantos por ciento las pérdidas de

calor debidas a la combustión químicamente incompleta del

combustible, si es sabido que el contenido de monóxido

fr+., I ( hu. r- h^. "*ñouro"/

ao o ) ( ña. c- h". "l

I * fr\. "",

( lr.eet lz tsin|,í."

Donde \T."

o*putga

E1 consumo

teniendo en

L32

carbónico en los gases de escape co = o.z5%, €r de losgases triatómicos ROZ = 17.5% y la temperatura de

combustible a la entrada en el hogar tro, = 2O"C.

Solución:

El poder calorífico de la masa aprovechable de combustible

se determina según la fórmula:

Qf.n = 338C a+tOZSH a-10g . 5 (O a-,9 a ,-t) -25W" =

= 338(37.3) + 1025 (2.8) - 108.s (10.5-1.0) - 2s (18.0)

= L3542 'KJ /Ke.

La capacidad calorífica de ra masa aprovechable de

combustible se determina así:

c"L= c"t#-c,\oE -

= 1.088(100-18)/100 + 4.L9 (18/100) = 1.6s KJ/(KgK)

Et calor físico der combustibre se determina empreando lafórmuIa:

Qro, = ctroraro, = 1. 65 ( 20 ) = 33 KJ /Kg.

El calor disponible se determina como:

133

Las pérdidas de calor debidas

incompleta del combustible se

siguiente fórmula:

Qtd = Qti + Qconb = 13542 + 33 = 13575 KJ/KE

a la combustión químicamente

pueden determinar mediante la

Q3 = 237 (Ca + 0.375 S'ro1) cOl(ROZ + CO)

Q3=232(37.3+0.37s( 1.0) ) (0.2s l/ (L7.5+0.25) = L25.6 KJ/Ks-

o bien en tantos por ciento:

a3 = (Qg/Qaa) 100 = (125.6 / 13575) 100 = o.g3%

Problema 4.2.

En el hogar de una caldera se quema mazttX bajo en azufre de

composición: Ca = 84 .65%; Ha = LL,7%; Savol = O.3e/oi Aa =

0.05%; Oa = O.3%i # = 3.A%. Determinar las pérdidas de

calor en KJ/KB y en Cantos por ciento , attasXrado por los

gases de escape procedentes del equipo de caldera, Si es

sabido que el coeficiente de exceso de aire fuera de éste

ú = l- 35 , La temperatura de los gases de escape a la6,E

salida del último conducto de Sases a'g., = 160"C, Ia

temperatura del aire en la sala de calderas t, = 30'C, la

capacidad calorífica volumétrica media a presión constante

134

Ctp., = L.297 KJ(mrK) y la temperatura de precalentamiento

del mazút tro, = 90'c.

Solución:

se determina er poder calorífico inferior de la masa

aprovechable:

eti = 338ca + 1025Ha 1og. 51oa-sano1) - zsi.,lla =

Qti=338(84.65) + 1025(11.7) - 108.s(0.3-0.3) - 25(3.0)=

Q'i = 40529 KJ/Kg.

La capacidad calorífica del mazút se determina así:

nA-1- c'r - ..74 + 0.0025 tro, = L.74 + 0.0025(90) =

Ctro, = L.g7 KJ/(KgK).

E1 calor . físico del combustible se determina de lasiguiente manera:

Qco, = ctrortro, = 1.97(90) = L77 KJ/Kg

EI calor disponible se calcula como:

Q'di, = Q'i + Qconb = 4O52g + L77 = 40706 RJ/Kg

El volumen teórico de aire necesario para quemar 1 Kg de

135

combustible se determina según Ia fórmula:

v0 = 0.089ca + o.266rf + 0.033(savol - oa) =

\f= 0.089(84.6s) + 0.266(11.7) + 0-033(0.3 - 0.3) =

vo = 10.62 #/xe

El volumen de los gases triatómicos es:

vRo, = 0.0187(Ca + 0.375S4u01) = 0.0187(84.65 + 0.375(0.3)=

IVRO' = 1.58 m'/KE

I

E1 volumen teórico de nitrógeno se determina en base a Ia

fórmula:

voNt = 0.79v0 + 0.8trla/100 = o.7g(10.62) = 8.39 m3/rg

El volumen teórico de los vapores de agua es:

voHro = 0.0124 (9 # + !d) + 0.0161 vo =

v0u2o = 0.0124 (9(11.7)+3.0) + 0.0161(10.62) = 1.51 m3,/rg

La entalpía de los productos de la combustión cuando

üh = 1.0 y t'g., = 160"C, se determina según la fórmula:

Hi = vRor(c{) co"+vrl^(ettl Nr*v^ro(ettl n,o =

136

#, = 1.58(280) + 8.39(208) + 1.51(242) = 25s3 KJ/Kg

La entalpía del aire para sh = 1.0 y t'g., = 160.C se

calcula como:

Hg,, = tog * ( c g.e 1)r0, = 2553 + (1'35 - 1)225L =

"g,, = 3341 RJ/Kg

La entalpía del aire frío se calcula como:

fr,f = VoC'prt, = LO.62(L.2g7 ) (30) = 4:-3 KJ/Kg

Las pérdidas de calor arrastrado por ros gases de escape se

pueden determinar de la siguiente manera:

Qz = (Hg.e-ao."Hf.t, #

Qt = (3341 - 1.3s(4L3)(100-0)ILOO = 2783 KJ/Ks

Para calcular en porcentaje:

92 = (Q2/QaP 100 = (2783/4o706) 100 = 6.8%

t37

Problema 4.3.

Determinar en tanto por ciento las pérdidas de calor al

medio ambiente si Se conocen el eaLor aprovechado en Ia

caldera, ql = 87%, las pérdidas de calor con los gases de

escape 92 = B%, las pérdidas de calor debídas a Ia

combustión químicamente incompleta del combustible

g3 = 0.5%, las pérdidas de ealor debidas a La combustión

mecánicamente incompleta de1 combustible Q¿ = 3.5%, Ia parte

de cenizas de combustible contenida en la escoria aes = 0 - 8 'la capacidad calorífica de la escoria Ces = 0.934 KJ/(KgK)'

la temperatuta de la escoria tes = 600oc, la temperatura del

aire en sala de calderas ta = 30"c, la temperatura del aire

que entra en el hogar t'u = 169'C y el coeficiente de exceso

de aire que entra en el hogar úh = 1.4. El grupo de

caldera funciona a base del earbón de piedra de la marca A,

de la composición: C3 = 62.7%; Ha =3-L%; Savol = 2.8%; Na =

O.9%; Oa = L.7%; Aa = 23.8%; tl = 5.0%.

Solución:

EI poder calorífico inferior de la masa aprovechable del

combustible se determina de la siguiente manera:

Q'i :338ca + 1025H4

Qti = 338(62.s) + 1025(3.

108.5(oa - stuoi) 25wa =

- 108.s(1.7 -2.8) - 25(5.0)=1)

138

Qai = 24365 KJ /Kg

EI volumen teórico de aire es:

v0 = 0.089ca + 0.266Ha + 0.033(savol oa) =

V0 = 0.089(62.7) + O.266(3.1) + 0.033(2.8 - L.7) =

vo = 6 .44 m3 /xe

El calor introducido aI hogar con el aire es:

Qa.int = unVoClp.Lt. =

Qa,in = L'a(0.44)(1.33)(139) = 1668 KJ/Ks

EI calor disponible es:

Q'di, = Qtin + Qa.int = 24365 + 1668 = 26033 KJ/KC

Las pérdidas de caror con el calor de la escoria se

determinan según Ia ecuación (3.21):

ñ a."Cest.Jave-TYcl

Q6 = (0.8)(0.934)(600)(23.8)/26033 = O.4%

Las pérdidas de calor ar medio ambiente se determinan de

acuerdo a la ecuación (3.19):

139

95 = 1oo

95=100-(87+8

+ ql + q3 *94 + ,lO)

0.5 + 3.5 + 0.4) = O.6%

(qr

+

Problema 4.4.

Determinar el rendimiento bruto y neto de una instalación

de calderas que funciona a base de carbón de piedra de la

marca D de la composición: ca = 58.7%; Ha = 4.2%; Savol =

0.3%; Xl¿ = t. 9%; .Oa = 9 .7%; Aa = L3.2?/'; I^ta = Lz.O"/., si es

sabido que el gasto natural de combu,stible B = O-24 Kg/s,

la productividad del vapor recalentado Pu,rr, = 4 MPa, Ia

temperatura del vapor recalentado tn,rec = 450oC, el valor

del barrido continuo P = 3%, la presión del vapor utiTízado

para las necesidades propias en la sala de caldera Pn.o, =

0.5 MPa y su gasto Dn,Dr = 0.01 Kg,/s.

Solueión:

EI poder calor inferior de

combustible se determina asi:

1a masa aprovechable del

Qti = Qtd = 338ca + 1025Ha - 108.5(oa -strol ) - 25rtla =

= 338(58.7) + 1O2s(4.2) - 108.s(9.7-0.3) 25(L2.O) =

Q'i = 22825 KJ /Re

El calor aprovechado en el equipo de la caldera por medio

de La fórmula (4 -L2 ) es:

Qti

140

Ql = (L.8/o.24)l{s330-s89)+(3/100) (1087.5-s89)l =

Q1 = 2O67 0 KJ/Kg, yd que no se toma vapor saturado.

El rendimiento de1 equipo de caldera (bruto) se determina

como:

or-E thn.r-h".", -ry (h^."-ha.") I *¡n.."(h!,.6-&a.a)

qli" = 4tooo;

\2,." = (zo67o/2zsz5)1oo = go.6%.

El calor utilizado para las necesidades propias es:

en.p = P ,o,.n-ñ...)

1Írr." = q2'."- Qn'er- toaBO:

Qn.p = (0.0L/O.24)(2748.8 - s89) = 90 KJlKg

E1 rendimiento de 1a instalación de calderas (neto) se

determina con Ia ecuación (4.26) l

14L

nÍ." = 90.6 90/(22825(0-24)'t = 89%

4.L4. CONTROL DE LA EFICIENCIA DE LAS CALDERAS

El grado de aptitud de una caldera, de transferir cierta

proporción del calor que recibe del hogar al agua o vapor,

es la "eficiencia de la caldera". En esta consideración se

toma en cuenta invariablemente eI rendimiento del hogar y

en algunas ocasiones también los rendimientos de equipos

recuperadores de calor (precalentador de

sobrecalentador, etc. ) .

al_re,

En las mediciones de eficiencia, no es común la separación

de eficiencia del quemador, del hogar y de 1a caldera. La,

eficiencia de una caldera es considerada como un total

obtenido de la combustión de todos sus elementos

componentes.

La eficiencia puede expresarse en porcentaje o por medio

del término "evaporación real" o "evaporación equivalenterr -

El término eficiencia se explica en las formas siguientes:

Pata combustibles sólidos, €s la relación de calor

absorbido por eI agua alimentada, con relación al calor

1.

142

1a

2.

producido por cada libra de

parrilla.combustible quemado en

Para combustible líquidos o gaseosos, es la relaciónentre el calor que absorbe el agúa alimentada y elcalor producido por cada ga1ón o pie cúbico de

combustible.

La eficiencia de una caldera para combustible sórido es lamisma, y& sea que se trabaje a base de combustible seco o

como se quema usuarmente. con frecuencia se toma en cuenta

el poder calorífico inferior del combustible, debido a que

el caror latente de la humedad producida por ra combustión

del hidrógeno del combustible, no es aprovechable para lageneración de vapor en La caldera.

5. TIPOS DE CALDERAS

5.1. CALDERA

Una caldera eS un recipiente cerrado en el cual se calienta

agua, s€ genera vapor o se sobrecalienta (o cualquier

combinación de las dos cosas) bajo presión o vacío mediante

La aplicación del calor liberado en la combustión del

combustible o también de gases calientes provenientes de un

proceso externo o de elementos eléctricos.

Las calderas se subdividen generalmente en cuatro tipos

clásicos: residencial, comercial, industrial y pata

generación de energía eléctrica.

Las calderas residenciales producen vapor a baja presíón

o agua caliente, sobretodo para ser aplicada en la

calefaccj-ón en residencias privadas.

Las calderas comerciales producen vapor o agua calienteprincipalmente para aplicaciones de calefacción en uso

comereial, con uso incidental en operacíones de proceso.

144

Las calderas industriales producen vapor o agua caliente

princípalmente para su aplicación en procesos con uso

incidental en calefacción.

Las calderas para la generación de energía eléctrica

producen vapor principalmente para la producción de

electricidad.

5.2. CO}ÍPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR

La unidad generadora se compone de un hogar (o eámara de

fuego) en el que se quemará el combustible, así como la

caldera propiamente dicha. En las unídades tipo paquete,

tanto en las grandes centrales de fuerza, están

comprendidos también los quema.dores de eombustible, a1

igual que los controles y accesorios similares.

Con La aparición de paredes enfriadas por aglJa para el

fogón, supercalentadores, se creó el término generador de

vapor, para dar al equipo una denominación más apropiada.

Cuando el hogar (o cámara de fuego) es autocontenido, la

palabra) "caldera'r se sobrentiende que describe a la

unidad generadora de vapor en su conjunto.

En eI hogar o cámara de fuego los productos de eombustión

se consumen y el calor se libera y transfiere al agua'

produciendo por 1o tanto vapor o agua ealiente. Este

145

espacio debe diseñarse para las tres 'rTrt de la combustión:

tiempo, turbulencia y temperatura. Para tener combustión

completa es necesario que el conbustible tenga el tiempo

suficiente para ser consumido por completo; debe haber

suficiente turbulencia para un mezclado completo de1

combustible y del aire para quemado eficiente; debe existiruna temperatura 1o suficientemente al-ta para permitir la

ignición de los productos.

La capacidad de producción de calor (cantidad de calor o

agua caliente por hora), depende de los siguientes

factores:

1. Grado de combustión del combustible en el hogar.

2. Extensión de la superficie de calefacción.

Proporción en la que se distribuye la superficie, en

áreas de calefacción por convección.

circulación del vapor o del agua y la de los gases

combustión.

Para mantener 1a combustión, es necesario suministrar

cierta cantidad de aire y remover los productos resultantes

de dicha combustión, mediante el tiro. Si la acción del

tiro natural (efecto de la chimenea) es insuficiente, s€

3.

4. La

de

L46

utiliza un ventilador (para tiro forzado, tiro inducido o

la combinación de ambos ) .

En las grandes unidades generadoras de vapor de las

centrales termoeléctricas, €I aire para Ia combustión es

precalentado (en un calentador de aire) y el agua de

alimentación es igualmente calentada en un economizador,

por medio del calor residual de los gases de la combustión.

Estos dispositivos mejoran Ia eficiencia general de la

unidad. Si se desea sobrecalentar el vapor por encima de

la temperatura de saturación (que generalmente solo

requiere para el impulso de turbinas), se agrega a Ia

caldera ún supercalentador. Frecuentemente se vuelve a

calentar el vapor (después del primer paso de la turbina),

mediante un recalentador.

Dispositivos de tubos antiespumantes y otros mecanismos (de

montaje interno) para que este llegue completamente seco a

la tobera.

La salida de la caldera puede estar dotada de tapones

roscados, o bien de grifos con bridas. Otros orificios se

destinan a la colocación de instrtlmentos, conexiones de

agua de alimentación, drenes, purgas, orificios de regis.tro

y para otros propósitos por e1 estilo. Un montaje adecuado

debe comprender una base, ménsulas de apoyo y tirantes

colgantes o amarres.

I47

EI agua es alimentada a la caldera ya sea por gravedad en

el retorno (en instalaciones pequeñas) o por una bomba de

alimentación. En las calderas de vapor el agua absorbe

calor hasta su punto de ebullición. Ya convertida el agua

en vapor se acumula en la parte más alta de la caldera, por

Ia diferencia de densidad entre el vapor y el a'gua. En las

calderas de agua caliente (calentadores), el agua se saca

cuando ha alcanzado la temperatura deseada. La caldera se

alimenta ¡ yd sea en forma continua o intermitente, de talmanera que el nivel se conserve relativamente co,nstante.

El agva se mueve dentro de Ia caldera estableciendo una

circulación natural, elevándose en cuanto entra en contacto

eon la superficie interna caliente. Algunas calderas están

dotadas de dispositivos de circulación forzada.

Si se agre5a una cantidad regular de agua dura a un sistema

de vapor, €s por 1o general necesario someter al agua de

alimentación a un tratamiento químico, para eliminar las

impurezas, que regularmente se componen de agregados o

concentraciones de sales solubles. Estas impurezas son

expulsadas a intervalos o de manera continua, por medio de

los dispositivos de purga. Las instalaciones grandes

requieren la instalación de desaireadores, para eliminar eloxígeno del aglra de alimentación.

Las presiones de operación arriba de 225 xg/cmz (3.2061

148ñ

Lb/pul-') están consideradas como presiones supercríticas;

en estas temperaturas el vapor no se puede separar del

agua, porque ambos tienen la misma densidad.

Calderas convertibles son aquellas apropiadas para trabajar

con quemadores automáticos de petróleo, gas o alimentador

mecánico de otros combustibles y que fácilmente pueden

cambiar de una clase de combustible a la otra, Vá sea

empleando el quemador existente, o bien con otro quemador.

En caso de que el costo de determinado combustible resulte

muy elevado, o bien que haya escasez del mismo, puede ser

muy deseable y ventajoso el cambio de un combustible a

otro.

Una caldera diseñada originalmente de fábrica para un

combustible determinado, es normalmente más compacta y

tiene una eficiencia de operación mayor que una caldera

convertible. Esto se debe a que el productor de calor

(quemador) y el transmutador de calor (caldera) ' están

diseñados para operar junto con aceesorios complementarios.

Seguramente que los quemadores y las calderas de unidades

convertibles están bien adaptados entre si en Ia mayoría de

los casos; sin embargo, lós equipos tipo paquete con

accesorios autocontenidos, requieren menor trabajo de

montaje y menos obr.a efl la sección correspondiente a los

quemadores, en el momento de su instalación

a.

L49

Si eI quemador está combinado con la caldera formando una

unidad de tipo paquete, al constructor se le permite una

relativa libertad de diseño. La selección del lugar

destinado al quemador no es influenciada solamente por eltipo de eombustible utilizado, sino por las necesidades de

dotar a la unidad de 1as siguientes características:

Alta eficiencia de operación y seguridad de servicio.

b. Adaptabilidad para trabajos concretos

c. Accesibilidad para ajustes, limpieza y servicio.

Como regla general, sin embargo, el diseño tendrá que

sujetarse a la obtención de una unidad compacta.

5.3. ACCESORIOS PARA CALDERAS

Los accesorios pata calderas son todos aquellos aparatos,

instrumentos, conexiones y aditamentos íntimamente ligados

con las mismas o necesarios pata su operación, control o

mantenimiento. Dentro de los cuatro tipos genéricos de

calderas nombrados anteriormenter'existen tipos específicos

de calderas que se clasifican de acuerdo con su uso,

presión, materiales de que están construidas, contenido de

tubos, forma y posición de los tubos, sistemas de quemado,

sistemas de circulaeión. etc.

Universidad Autónoma de 0ciidcnteSECCION BIELIOTTCA

150

5.4. USO

Partiendo de la simple caldera se casco cilíndrico se han

desarrollado muchos y variados tipos de unidades

generadoras de vapor. Algunas se han diseñado para

proporcionar fuerza en general o calefacción, otras en

cambio se destinan para funciones mas'especializadas. Un

ejemplo puede ser la caldera de recuperación de calor

(Véase Figuras 30 y 31), que recupera Ia energía que por

1o general no se utíLiza y la convierte en calor

aprovechable.

pd:¡¡r.t

FIGURA 30. Caldera para Calor de Desperdicio.

151

¡

Bomba¡ dc circulaclón

FIGURA 31. Caldera para Calor de Desperdicio.

L52

En los gases de desperdicio obtenibles para generación de

vaporr S€ encuentran grandes cantidades de po1vo, pero las

calderas se pueden mantener en condiciones correctas de

operación, utilizando colectores de po1vo, bolsas y tolvas

y en algunos casos transportadores. Los gases cargados de

polvo tienen que mantenerse a baja ve.locidad para reducir

al mínimo 1a acción abrasiva sobre los tubos.

Si los gases contienen partículas sólidas o ígneas

(pegajosas o adhesivas), tienen que ser enfriados por

radiaeión en fogones de paredes de agva, antes de pasar a

la zon'a de convección.

5.5. PRESION

Las calderas estacionarias para mantener un control de

seguridad sobre las earacterísticas de eonstruceión de toda

caldera estacionaria susceptible de aseguramiento (por

obligación), dicha construcción debe someterse a las normas

prescritas por el "código de calderas y tanques de presión"

de la Asociación Americana de Ingenieros Mecánicos,

conocido como código de calderas de ASME. Este código

diferencia las calderas por las siguientes características:

Calderas de

corresponden

Calefacción

todas las

de Baja Presión, gu€

calderas de vapor, .in" no

1.

exceden de 1.05 rglcmZ (ts 1b/pu12), todas las calderas

para agua

exceden de

temperaturas

caliente que,11.25 Kg/em'

153

operan a presiones que noñ

( 160 lb/pul") y cuyas

los 121'C (250"F).

2.

no sobrepasan

Calderas para Generación de Fuerza, so consideran

dentro de esta sección todas aquellas calderas cuyas

condiciones de operación sobrepasan los 1ímites

señalados en el párrafo anterior.

5.6. I{ATERIALES

La selección de materiales para la construcción de

calderas, está controlada por 1o dispuesto en

especificaciones de materiales del código de calderas ASME.

Las calderas para generación de fuetza se construyen

usualmente con aceros especiales. Las calderas de

miniatura se pueden fabricar en otros metales como cobre,

acero inoxidable y similares. Las calderas de calefacción

de presión baja, S€ fabrican por 1o general de hierrocolado o de acero, aunque algunas calderas para serviciodoméstico, operadas por .medio de gas se manufacturan en

tubos de cobre.

5.7. CONTENIDO DE LOS TUBOS

Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero,

154

hay dos

caldera

tubos de

clases generalizadas de calderas

de tubos de humos o pirotubular y

agua o acuotubuiar.

1a

de

de

La

acero;

caldera

5.7.1-. Calderas Pirotubulares. En las

pirotubulares (Véase Fígura 32), la flama y los

de la combustión pasan a través de tubos.

calentada u otro medio rodea e1 hogar interno y

de los tubos.

calderas

productos

El aglra

los haces

FIGURA 32. Caldera de Tubos de Humo o Pirotubtrlar.

Las calderas de tubos de humo se usan princípalmente para

sistemas de calefacción, para 1a producción de vapor

requerido en procesos industriales o como calderas

portáti1es.

155

Se usan generalmente en donde la demanda de vapor es

relativamente reducida ( comparada con Ia demanda de lasgrandes centrales termoeléctricas).

La caldera pirotubular tiene limitaciones en cuanto a su

tamaño y en la adaptabilidad de su diseño. Sin embargo,

tiene, la ventaja de su gran volumen de almacenamiento de

a9va, además de su peculiaridad de compensar los efectos de

las grandes y repentinas fluctuaciones en la demanda de

vapor. Debido a su gran volumen de agua, €l tiempo que se

necesita para aLcanzar su presión de trabajo, partiendo de

un arranque en fríor €s considerablemente mayor que elrequerido por una caldera acuotubular.

El costo de una caldera de tubos de humo instalada es

relativamente bajo, ya que su fabricación es relativamente

sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos,

1íquidos y sólidos.

Junto con Ia caldera pirotubular se utiLízan varios tiposde hogares. Algunos son largos tubos cilíndricos, mientras

que otros son disposiciones de caja de humo (Véase Figura

33 ) que permiten el quemado de combustibles sólidos.

En la mayor parte de los casos, este tipo de calderas

incluyen un casco que contiene el agua y el espacio del

vapor. Dentro del casco están las placas que soportan los

156

grupos de

recipiente

el espacio

ca1or.

tubos y los tubos que son porciones del

a presión. El hogar o eaja de humo proporciona

para los procesos de combustión de la fuente de

FIGURA 33. Caldera de Caja de Humo.

Las unidades de tubos de humo se suministran casi siempre

en aplicaciones hasta aproximadamente 30000 lbs (13500 Ke)

de vapor por hora. Se suministran para operar a baja

presión de.15 psig (L04 Xtt/m2¡ y menos; como calderas de

potencia hasta aproximadamente 300 psig (2L00 KNr/m2) de

presión de vapor.

Muchos tipos de calderas de tubos de humo Se suministran

a Ia industria, uno de ellos es |a caldera horizontal

L57

tubular de retorno (Véase Figura 34). En esta unidad los

productos de la combustión viajan a través del casco y

retroceden a través de los tubos dentro .del recipiente a

presió-n. Estas unidades suelen estar asentadas en soportes

de ladrillo.

FIGURA 34. Caldera Tubular de Retorno.

Otro tipo de unidad de tubos de humo es la caldera tipovertical (Véase Figura 35) en la cual el combustible o lafuente de calor está en la parte inferior y los productos

de la combustión suben a través de los tubos y se eliminanpor la parte superior de la unidad.

La caldera vertical de tubos de humo se fabrica para dos

clases de uso:

158

Caldera de casco Caldera tipo Manning, Caldera con tapa superiorrecto con la placa del con cámara de eónica, con cáamara deespejo superior combustión ampliada combustión ampliadasumergida

FIGURA 35. Calderas Verticales de Tubos de Humo.

1. Para Generación de Fuerza (Caldera de fuerza)

2. Para Servicios Residenciales

Caliente ) .

( Caldera agua

5.7.2. Calderas Acuotubulares. En este tipo de calderas,

los productos de combustión rodean usualmente a los tubos

y el agua está en el interior de los tubos. Son calderas

que constan de un gran número de tubos o fluses de agua'

muy próximos entre sí, conectados a uno o más cuerpo's o

.

0c6

ogc

=tro

troEoüooE

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oCC¡o!il!tro

EaEcEoEtl

fol!lrlPI

tI

t€o6Ea

EIoE6Io

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ooctoEú

=IoE€

1s9

colectores que funcionan como cámaras de agua y separadores

de vapor, facilitando una rápida circulación del agua y

vaporízación.

Las capacidades de estas calderas se acercan a un millón de

libras por hora de vapor y aún más, y presiones de

2500 psig a 4000 psig a la salida del sobrecalentador, con

temperaturas de vapor que varían desde la saturación hasta

551oC ( 1025"F) .

5.7.2.L. Partes de la Caldera. Generalmente las calderas

acuotubulares constan de las siguientes partes:

El Hogar: que

combustión.

ES el lugar donde se efectúa Ia1,

2.

3-

4.

Uno o Varios Cuerpos o

eomo cámaras de agua y

Colectores: los cuales funcionan

separadores de vapor.

Tubos de Agua: donde

la evaporización.

Recalentador:

convierte en

se transmite el calor al agua para

tubería donde el vapor saturado

vapor recalentado.

se

Economizador: es un haz de tubos por los que pasa agua

de alimentación calentándose parcialmente y en los que

5.

7.

160

se aprovecha el calor residual de los humos.

6. Calentador de Aire: es un sistema de tubos o conductos

calentados por los humos o por gas, a través de los

cuales se hace pasar el aire antes de ser introducido

en el hogar, para calentarlo.

Chimenea y Tiro: tienen como función evacuar los gases

de combustión e introducir el aire dentro del hogar.

Cada una de 1as partes se tratarán más adelante.

5.7.2.2. Clasificación. Existen varias clasificaciones de

calderas acuotubulares, así: según el número de cuerpos

ci1índricos, según la disposición de los cuerpos

cilíndricos, según el tipo de circulación del agua, etc.,

pero la clasificación general más razonable es la

siguíente:

1. Calderas acuotubulares de tubos poco inelinados.

2. Calderas aeuotubulares de tubos muy ínclinados.

Calderas acuotubulares de radiación, es decir

elementos especiales de refrigeración de1 hogar.

3.

Cada una de estas clases princípales puede subdividirse

1.

161

según las formas constructivas así:

Calderas de cuerpos longitudinales o transversales.

2. Calderas de tubos rectos o curvados.

3. Calderas de 1, 2 y 3 o más cuerpos cilíndricos (donos).

4. Calderas de circulación de agua natural o forzada.

Cada uno de estos tipos puede ir equipado o no con

recalentador, economizador y calentador de aire; además

pueden tener equípo para quemar carbón, bagazo,

combustibles 1íquidos o gaseosos, etc.

La Figura 36, muestra dos tipos de carderas acuotubulares

de tubos curvados, de dos domos, parrilla viajera y de

cuatro domos respectivamente.

5-7 -2-2.L. carderas de Tubos Poco rncrinados. Esta clase

de calderas emplean generalmente tubos rectos que ascienden

bajo un ángulo de unos 15" y se fijan desde el exterior a

las paredes de las cámaras parciales o secciones. De estamanera eI cambío de tubos dañados puede hacerse fácilmentey con rapidez, sin penetrar al interior del cuerpo

cilíndrico de la caldera.

162

FIGURA 36. Algunos Tipos de Calderas Acuotubulares.

Las calderas de tubos poco inclinados generalmente tienen

un solo cuerpo cilíndrico, pero pueden constar de dos o

tres. La Figura 37, muestra. un ejempló de un'a ealdera de

un solo cuerpo (domo) transversal, de tubos poco

inclinados, con recalentador y parrilla móvil, y Ia Figura

38, presenta otro tipo de caldera ' con tres domos

transversales y tubos de agua curvados.

5.7.2.2-2. Galderas de Tubos ![uy Inclinados- Tienen de

dos a cinco cuerpos cilíndricos o domos dispuestos

transversalmente y unidos entre sí por los tubos curvados

hasta de 10 metros de longitud, los cuales se unen

directamente a los cuerpos de la caldera'

Caldera Acuotubularcon Recalentador y

163

de Tubos Poco InclinadosParrilla Móvil.

FIGURA 37.

Caldera Acuotubular deAgua Curvados.

vo.porttcglenlodo

Enfrodo

FIGÜRA 38. Tres Domos y Tubos de

En la Figura 39, se da un ejemplo de caldera con tubos

muy inclinados de tres domos' con recalentador,

economizador, hogar para quemar bagazo y el equipo auxiliar

para quemar petróleo

L64

Como la unión de los tubos se

cuerpos cilíndricos, el cambio

hace penetrando en el interior

más difíci1 la operación.

hace directamente con los

y limpieza de los tubos se

de los cuerpos, 1o que hace

Tubos MuyDomos r cofry Equipo para

FIGURA 39.

5.7.2.2.3. Calderas de Radiación. Se entiende por

calderas de radiación a las calderas acuotubulares en las

cuales la transición del calor se efectúa por radiación y

solo una pequeña parte por contacto directo con el fuego y

los humos. r

Caldera Acuotubular deInclinados, de TresRecalentador, EconomizadorQuemar Petróleo y Bagazo.

165

Todas las paredes y pisos del hogar van generalmente

recubiertas por tuberías de agua y que se denominan paredes

de agua, cortinas de agua y parrillas de agua. Por estas

tuberías circula el agua de alimentación después de haber

sido calentada inicialmente en el economizador (si 1o hay).

Las calderas de radiación solo llevan uno o dos cuerpos

cilíndricos. En el easo de empleo de un solo cuerpo

ci1índrico, 1levan numerosos colectores pequeños. Se

construyen generalmente de gran capacidad de producción de

vapor y para altas presiones.

La Figura 40, muestra un tipo de caldera de radiación de

url solo domo y varias cámaras parciales, con recalentador,

economizador, calentador de aire y hogar para quemar carbón

con parritla nóvil.

5.7.2.3. El Hogar. E1 hogar es eI sitio donde se coloca

e1 combus_tible y se desarrolla Ia combustión. Su misión es

transformar la energía química (poder calorífico) del

combustible en calor por medio de la combinación con eloxígeno del aire.

En general el hogar consta de tres partes principales a

saber:

1. Parrilla.

166

2. Cámara de combustión.

3. Cenicero.

RecolcnfodorI

Cdmorociol-

4limentcdores

Forillc mcivil

-f-'f:-.J \'

FIGURA 40. Caldera de Radi.ación.

Existen tres clases de hogares: para combustibLes sólidos,

líquidos y gaseosos.

En los hogares de combustibles sólidos existen los tres

elementos anteriores. En los de eombustible 1íquido y

gaseosos desaparecen la parrilla y el cenicero y queda

solamente la eámara de llamas.

E1

de

L67

En el hogar se encuentran las corrientes de aire y de

combustibles reaccionando para efectuar la combustión. Los

productos gaseosos de la combustión y eI exceso de airesigue por una serie de conductos de humo hacia la chimenea,

mientras otra parte del combustible se convierte en cenizas

y escorias cayendo al cenicero.

tamaño y estructura de un hogar depende principalmente

los siguientes factores:

1. Tamaño de La caldera.

2. Naturaleza del combustible (sólido,líquido, gaseoso).

3. Poder calorífico de1 combustible.

4. En el caso de combustible sóIidos, del porcentaje de

humedad y cenizas; del tipo de combustible (carbón,

bagazo, etc. ), del tamaño del grano y de la composición

química eI combustible.

La Figura 4L, muestra e1 cambio de la temperatura de los

gases con respecto a Ia altura del hogar de La caldera.

5.7.2.4. Cuerpo de la Galdera o Domo. Los cuerpos de lacaldera son tanques cilíndricos de paredes gruesas que

tienen dos funciones:

168

FIGURA 4T. Cambio de IaRespecto aCaldera.

Temperatura dela Altura del

los Gases conHogar de la

1. Almacenar eI agua.

2. Actuar como colectores de vapor saturado (cuerpos

superiores ) .

5.7.2.4.1. Separador de Vapor. Dentro del cuerpo del

eolector de vapor existe un aparato llamado "separador de

vaporrt cuya función es Separar el vapor del agua arras,trada

por este para

recalentador.

separador.

ímpedir el paso de partÍculas

La Figura 42, ilustra un tipo

de agua

de domo

169

aL

con

1,

RELACION DE pABTES: t. Domo; 2. Tuberl¡¡ rtc y.por dc cntted¡: 3. Calóu4. Cldón; G. Tapa; 7. ilaila dot dopóstto dc lavadol E. Trcüo rcctbtdor icvapor;9. Cda; tO. Tubrrla dc ¡¡llda de vapor; tl. gumlnlstro do agu¡ doailmontadón:12. vontana; t3. Tuboa balantos;14. Tuborfa de drcni¡c deomcrgencla.

FIGURA 42. Domo con Separador.

5.7.2.5- Sobrecalentadores y Recalentadores.

5-7.2.5.L. sobrecalentador. Está formado por un sistema

de tubos que se interponen al paso de los gases, €1

sobrecalentador es un elemento importante de la unidad

generadora a1 que se le inyecta vapor saturado de lacaldera misma, de modo que er vapor recibe una cantidad

adicional del calor que procede de ros gases de combustión.

I

I

I

I

_ _\,¿- -l-- - - -¡i'

ünive¡sidad A,tdíilF-s rcó riiñ' é irliol? r, 0,,'*'

n

L70

La transferencia de calor produce una ganancia considerable

de energía en el vapor que será liberada en el uso final.

El uso final puede ser una turbina de vapor o cualquier

otro tipo de equipo que requiera liberación considerable de

energía para su operación (Véase Figura 43).

-¡^uoa oR 6^¡

D$O DEI ÑAftMEM@i

uru@r4

FIGURA 43. Caldera con Unidad de Sobrecalentamiento.

L7L

Los sobrecalentadores son del tipo radiante, de radiacióno de radiación-convección. En un sobrecalentador radiantelos tubos están loealizados casi siempre en la sección del

hogar de la cardera. En un sobrecalentador de convección

Ia LocaLización está determinada por la temperatura delvapor requerida. Para temperaturas altas generalmenter €s

más económica su instalación 1o más cerca posible del

fuegor €n donde tomará contacto con gases más calientes.

La Localízación del sobreealentador está también

determinada por las características y el espacio disponiblede la caldera. En las calderas de poca altura, en las que

no hay espacio entre los tubos ni sobre los mismos, se usa

un tipo de sobrecalentador colgado (Véase Figura 44), elcual se extiende verticalmente; de arriba hacia abajo,

entre las hireras de las baterías de tubos de la caldera.

FIGURA 44. Sobrecalentador Colgado.

L72

5.7.2.5.2. Recalentadores- El recalentador

partes de la caldera, donde el vapor saturado

en vapor recalentado sin elevar la presión.

es

se

una de las

transforma

5.7.2.5.2.L. Generalidades. Debido a las numerosas

ventajas que ofrece el vapor recalentado en las máquinas de

vapor, 1o mismo en las de movimiento alternativo como en

las turbinas, la mayoría de las plantas térmicas están

provistas de recalentadores, además el empleo de vapor

recalentado eS necesario muchas veces para procesgs

industriales.

La temperatura de recalentamiento depende de las

condiciones en cada caso particular, para producción de

fuerza mecánica el recalentamiento normal es de unos 100"C

a 150"C sobre la temperatura de saturación (temperatura

del vapor y del agua en el cuerpo de 1a caldera).

5.7 .2.5-2.2. Glasificación-

clasificación:

Se presenta la siguiente

1. Según la forma de transmisión del calor se distinguen:

a. Recalentadores calentados a fuego directo, 9u€

actualmente se construyen muy poco, tienen mal

rendimiento' se desgastan mucho y es difícil su

regulación.

L73

b. Recalentadores de contacto, gu€ transmiten elcalor de humos al vapor por conducción.

c.

Según el sistema de apoyo se distinguen:

a. Recalentadores apoyados.

b. Recalentadores suspendidos.

En las ealderas acuotubulares'de tubos poco inctr-inados, elrecalentador, generalmente apoyado, s€ coloca entre los

tubos de agua y el cuerpo cilíndrico (domo) de ra caldera.En las calderas acuotubulares de tubos muy inclinados o

verticales el recalentador, generalmente suspendido, va

colocado detrás del prime:r l:,az tubular.

5.7 .2.5.2.3. Regulación del Recalentamiento. La

regulación exacta de la temperatura der vapor recalentado

es de Eran importancia para impedir la deterioración de lasmáquinas y turbinas de vapor. Lo ideal es mantener

invariable la temperatura del vapor reealentado para todas

las cargas de la caldera.

Recalentadores de

calor radiante de la1lamas.

radiación, que aprovechan elcapa de combustible y de las

2.

L74

La regulación de los recalentadores puede efectuarse por

varios métodos de 1os cuales los más importantes son:

1. Por medio de placas giratorias o registros que

solamente permiten el paso por eI recalentador de una

parte de los humos calientes.

2. Por inyeeción de agua caliente en el vapor recalentado

de un inyector automático.

3. por refrigeración de superficie, en la cual el exceso

de calor del vapor recalentado se elimina por medio de

un intercambiador de calor.

5.7.2.5.2-4. Equipo de1 Recalentador. Para lograr un

correcto funcionamiento, €1 recalentador debe estar

provisto de los siguientes accesorios:

1. De un juego de vá1vuLas de cierre ' pata que el

recalentador pueda desconectarse de la caldera siempre

que convenga.

2. De una válvula se seguridad.

3. De válvulas de desagüe las cuales sirven también para

llenar el recalentador de a8ua antes de encender el

hogar.

175

Además son convenientes los siguientes aparatos:

1a

al

en

1. Una ramificación en

de cierre y un tubo

del recalentador

parada.

salida de vapor con una válvula

aire libre, para refrigeraciónel período de encendido o de

La temperatura del agua

factores que más influyen en

la caldera y su equipo.

5.7 .2.6. Economizadores.

alimentación es uno de los

correcto funcionamiento de

de

e1

Siendo la funeión del economizador, calentar el agua de

alimentación, €s de gran importancia su estudio (Véase

Figura 45 ) .

El economizador es esencialmente un intercambiador de

calor, formado por un haz de tubos a través de los cuales

pasa agua de alimentación justamente antes de inyectarla a

la caldera.

Los gases de combustión, al abandonar las superfj_cies de

convección de Ia caldera, pasan por 1os tubos de1

economizador y de esta manera calientan el agua de

alimentación.

Los gases de combustión a1 sarir del economizador se

enfrían consideráblemente aLeanzando una temperatura final

L76

de unos 200'C a

y de las demás

L20"C según

condiciones

temperatura

trabajo de

inicial del agua

la caldera.

1a

de

AGUA OE

ALttEl{TACtONDE TA CALDERADE VAPOF

AGUA DEALITENTACIOl{OE I.A CALDEFADEL DESAIFEADON

FIGURA 45. Economizador.

En las calderas modernas de radiación el economizador está

colocado en la cámara del hogar donde forma parte de los

elementos de refrigeración de1 hogar (paredes de agua)

recibiendo calor radiante de las 1lamas. En estos casos eI

calor residual de 1os humos se aprovecha en aparatos

llamados calentadores de aire antes de llegar a Ia cámara

1AAS DE CHITENAEA FRIO

GAS. DE CI{ITEI{EA CALIENTE

177

de combustión.

5 .7 .2.6.L. Clasificación.

distinguen:

Según su LocaLj-zación

1. Economizadores integrales, se caracterizan por baterías

de tubos vertícales localizados dentro del cuerpo de lacaldera.

2. Economizadores individuales, separados de la caldera

principal y dispuestos detrás de ella según el espacio

disponible y Ia disposición de los conductos de humo.

SU

3. Economizadores centrales,

el calor residual de los

grupo de calderas.

cuya misión es de aprovechar

humos procedentes de todo un

Los economizadores se pueden clasificar de acuerdo a laconstrucción y forma de los tubos, los cuales pueden ser

lisos o de aletas. En la Figura 46, se muestran dos

tipos de eeonomizadores: economízador integral de flujotransversal y economizador de flujo ascendente para una

caldera radíante.

Los 1ímites de presión y temperatura aplicados en los

economizadores varían ampliamente, dependiendo tanto de las

características constructivas del economizador como de las

178

condiciones

acumulación

de hol1ín.

operación de la caldera. Para impedir la

hollín generalmente se utilizan sopladores

CABEZAL DE

SALIDA OEL

EC0N0l't lZAD0i

. IIIIEA DEL

¡ECIFCULADON

. CABEIAL OE

EilTRAOA ^LEC0[0ül¡A00¡

FIGURA 46. Economizadores : 'a. Integrial de f luj oTransversal. b. Flujo Ascendente para unaCaldera de Calor Radiante.

5.7.2-6.2. 'Equipo del Economizador. Los economizadores

están equipados generalmente con los siguientes accesorios:

1. Termómetro a la entrada del agua fría-

de

de

2. Termómetro a la salida del agua caliente.

4.

179

3. Manómetro.

Sopladores de hollín.

5. Válvula de purga.

5.7.2.7. Galentador de Aire. EI calentador de aire es un

aparato de intercambio de calor, eü€ consta de un sistema

de tubos o conductos a través del cual se hace pasar elaire que es calentado por medios cuya temperatura es mayor,

tales como los productos que proceden de 1a combustión o

por medio de vapor para ser introducido en el hogar de la

caldera.

El objeto de los calentadores de aire es aprovechar elcalor residual de los gases de escape hasta un 1ímite

económico en los casos en que no existe economizador o

cuando la aplicación del economizador sólor no es

suficiente.

La Figura 47, muestra un calentador de aire recuperativo

o de tubos donde: ( 1 ) tuberías de acero de 40x1.5 mm; (2 y

6 ) tableros superiores e inferiores con espesores de 40x1.5

mm; (3) compensador de expansiones térmicas; (4) cámara de

conducción de aire; (5) tablero intermedio de tuberíás; (7

y 8) estructuras de soporte.

Univ¿rsidad Aulónoma de Cccidents

SECCIoN BlBLl0iE'.'1

180

-Á'n 'tt

fopnuuüto.rilgx

U\olnuun ¿w,,

FIGURA 47 . Calentador de Aire Recuperativo o de Tubos.

5.7-2.7.L. Utilidad del Calentamiento del Aire- Con el

calentamiento previo del aire de combustión no solamente se

hace posible el aprovechamiento del calor residual de los

gases de escape sino también, S€ mejora considerablemente

la combustión.

Por efecto de1 calentamiento del aire se queman los

combustibles de un modo más completo y aumenta Ia caPacidad

de la parrilla y de la cámara de1 hogar y por esto se

disminuyen sus dimensiones.

6

181

5.7 -2.7.2. Temperaturas Límites del Calentamiento del

Aire. Para los hogares de parrilla puede calentars.e hasta

250'C como temperatura máxima para hogares de carbón

pulverizado; de aceites y de gases se puede calentar elaire hasta 400"c.

Para asegurar buena transmisión del calor la superficie del

aparaxa debe mantenerse limpia, para 1o cual se emplean

sopladores de hoI1ín que actúan como chorros de vapor

recalentado.

5 -7 .2.7 .3. Clasificación. Se distinguen dos clases:

calentadores de Aire Recuperativos3 en ros cuales elcalor procedente de un fluido en movimiento (gases de

escape, vapor, etc). pasa a través de las superficiesde intercambio de calor (separación pór medio de

metal), hacia el aire más frío (también en movimiento).

Calentadores de Aire Regenerativos: en los cuales Iatransmisión de calor se efectúa indirectamente.

calentando por medio de los gases una masa de hierroque después, dL intervenir Ia circulación, cede alaire el calor almacenado (Véase Figura 48).

La Figura 48, muestra un calentador de aireregenerativo donde: (a) vista general del aparato; (b)

1.

2.

L82

láminasi (L,2, y 3) apoyos inferiores y superiores; (4)

sección del rotor o de1 eje; (5) se1los o laberintos

periféricos; (6) transmisiones del mando; (7) catcaza

exterior.

FIGURA 48. Calentador de Aire Regenerativo-

5.7.2.7 .4. Colocación. casi siempre se colocan después

del economizador, si el economizador no existe, se colocan

inmediatamente después de1 recalentador.

El aire puede ser aspirado a Lravés del calentador por un

ventilador que al mismo tiempo impulsa el aire ya caliente

en el hogar. El ventilador también puede aspirar aire frío

e impulsarlo a través del calentador y del hogar.

La disposición de los

generalmente vertical .

ho11ín y las cenizas

paredes de los tubos.

183

tubos del calentador de aire es

Por este sistema se impide que el

volantes se depositen sobre 1as

SISTEMA DE QUEMADO DE COMBUSTIBLE

6.1. QUEITÍA EN PARRILLA

Un combustible sólido cargado' sobre la parrilla de

distribución en forma de una capa de espesor determinado se

enciende y se sopla ( la mayoría de las veces de abajo

arriba) con aire. A1 subir, los gases pierden el oxígeno

como resultado de Ia reacción de oxidación, y se enriquecen

de óxidos de carbono a consecuencia de la combustión del

carbón, de la reducción por el carbón del vapor de agua y

el bióxido earbónico.

6.1.1. Zonas de Oxidación y Reducción de Combustión.

6.1.1.1. Zona de Oxidación. Es Ia zorla en que

prácticamente desaparece por completo eI oxígeno; su alturaconstituye de dos a tres diámetros de los pedazos de

combustible.

6.1.L.2. Zona de Reducción. En esta zona se desarrollan

sólo las reaeciones de HIO y COI por el carbono. Cono

6.

185

resultado de la concentración de COI en los Bases a medida

de su elevación disminuye y la de co y H2 aumenta. Las

reacciones de reduceión son fuertemente endotérmicas.

Entregando el calor para su realización el gas que sube por

la capa, S€ enfría hasta que su temperatura se hace tan

baja que 1as reacciones prácticamente se terminan.

En los hogares donde se realiza quema en parrilla' se trata

de mantener Ia altura de la capa igual a la de la zona de

oxígeno; por 1o general es de cuatro a seís veces menor que

la altura total de Ia capa de combustible.

La Fígura 49, ilustra el cambio en Ia composición del gas

respecto a la altura'de la capa de combustible-

¡q

U'

(tJt¡¡ozIIooo.Eoo

ALTURA DE LA GAPA, mm

Cambio en la Composición del Gas RespectoAltura de la Capa de Combustíble.

FIGURA 49. ala

o

o0

186

lanzadorLa Figura 50, muestra

neumático y mecánico y

de h.ogar con

en cadena.

un esquema

la parrilla

{.

oo t{

o

FIGURA 50.

Para efectuar 1a postcombustión

combustión incompleta (Hl, CO) que

como pata hacer 1o mismo con elesta, al volumen del hogar por

suministra aíre adicional.

6.L.2. Ventajas y Desventajas de

quema de combustible en parrillaventaj as :

oodo oo-

de los productos de

salen de la capa, así

polvo arrastrado desde

arriba de la capa se

Ia Quema en Parrilla. La

presenta las siguientes

- o? ooB oooooov aE^-r#¡r =é-iru.-ooo

RELACTON DE pARTES: t. Supcr||ds dc ¡a p¡rrllla: .2. Rucrl¡e; A. Capa dc combusilblc: 4.sumrnrstlo de ¡rro had¡ or ranz¡dol: 5. RotoT drr rrnzadol: 6, armcntadol do b¡nde.ttlculada;7. Tolye rte allmont¡dó¡r;8. Volulnen dcl hogar;9. Tubos rto pent¡llr;10.Insuflaclón dlrecta y rogtrso dcl ¡rr¡3tlr; ii..Rcvceilml"nto O"l hogar;12. Comp¡ctaclóntrascra; 13. vcntanae para artmcntal 0r ahc pol rrobalo do ra capa.

Esquema de Hogar con Lanzador Neumático yMecánico y La Parrilla en Cadena.

L87

Es relatiüamente barato y de fácil operación.

Brinda seguridad en cuanto a explosión de gases de

combustión.

Ausencia de dispositivos para moler el carbón.

Estabilidad en el trabajo {sin extinciones) en una

amplia gama de cargas.

Las desventajas que se presentan son:

Só1o puede quemar combustible sólido.

Altas pérdidas por quemado meeáníco q4.

Su utilízación se limita a potencias relativa,mente

pequeñas, ya que la velocidad de reacción de combustión

es relativamente baja por la misma forma en que Se quema

e1 combustible (mezcla poco homogénea).

6.2. QUEl,lA EN CAI,IARA

En este sistema de quemado se utiliza combustible que ha

sido desmenuzado en unos molinos o desintegradores, el cual

se insufla a través de los quemadores junto con el aire

neeesario pata la combustión.

El aire transportador que se insufla junto con eI polvo se

llama primario. Al quemar en cámaras el combustible sólido

en forma de polvo, las sustancias volátiles aI liberarse en

el proceso de su calentamiento' se queman en la llama como

188

un carburante gaseoso, 10 que contribuye al calentamiento

de las partículas duras hasta la temperatura de inframacióny facilita la estabíLización de la llama.

La cantidad de aire primario ha de ser suficiente para

quemar las sustancias volátiIes. Esta es de1 L5% aL 25% de

toda la cantidad de aire para los carbones con bajo

rendimiento de sustancias volátiles (por ejenplo, lasantracitas), deL 2o% al 55% para los combustibles con altorendimiento (ejemplo, los lignitos). El aire restantenecesario para la combustión (1lanado secundario) se

suministra al hogar para Ia combustión. Una buena

organización del proceso de quema de los combustibles

sólidos (sobre todo los que se queman con dificultad y cuyo

rendimiento de sustancias volátiIes es bajo), la asegura elaprovechamiento de los llamados quemadores en forma de

caracol, (Véase Figura 51. ).

El polvo de carbón junto con el aire primario se suministraen estos a través del tubo centrar y gracias a la presencia

del deflector sale aL hogar en forma de un chorro finoanular. E1 aire secundario se suministra a través del

"caracol", se tuerce fuertemente en este y, saliendo a racámara de combustión forma una llama potente turbulentatorcida que asegura la succión de grandes cantidades de

gases incandecentes desde lo.s núcleos de la llama hacia Iaboca del quemador. Esto acerera el calentamiento de ra

189

mezeLa de combustible y aire primario y su inflamación' eS

decir, crea buena estabilidad de 1lama-

El aire secundario se mezcla bien con el polvo ya inflamado

gracias a su fuerte turbulencia. Las partículas más

grandes sufren la postcombustión durante su vuelo en el

flujo de gases dentro de los límites del volumen del hogar.

oe

En La Figura 52, se muestran varios tipos de quemadores

empleados en calderas para carbón pulverízado y de tipo

ciclón, las siguientes son las partes correspondientes:

(a) quemador de doble caracol; (b) quemador directo de

caracol combinado; (c) quemador de caracol con paletas; (d)

quemador de doble paleta; (1) earacol de la mezcla polvo de

carbón-aire; (2) caracol de aire secundario; (1') entrada

de la mezcLa aire-combustible:' (2') caraeol del aire

secundario; (3) canal para la salida de la ^"r"r^ aire-

FIGURA 51. Quemador Unidireccionalpara Combustible Sólido

I

fa

en Forma de CaracolPulverizado.

ffiry

190

combustible hacia el hogari tttl canal para la salida de lamezcla aire secundario-combustible hacia e1 hogar; (5)

atomizador de fuel oil principal; (5') atomizador de fueloil para arranque; (6) tapón para salida de la mezcla-, (7)

paletas del aire secundario; (8) suministro del airecentral; (9) mando del tapón; (10) agitador del flujo del

aire axial; (11) aislamiento del quemador.

"¿t

-7-+:j$1L8.

N

FIGURA 52. Quemadores Tipo Ciclón para Calderas.

La

de

Para Ia combustión del polvo de

hogar en cbda momento del tiempo

de La mezcLa a la salida

carbón en La llama del

se encuentra una reserva

Figura 53,

un quemador

muestra el esquema

de caracol.

191

ínfima de combustible. Esto hace el proceso de combustión

muy sensible a los cambios en el gasto del conbustible y

aire, y permite, €fl caso de necesidad, prácticamente al

instante cambiar el rendímiento del hogar. A1 mismo tiempo

esto eleva los requisitos respecto a la alimentación segura

del polvo al hogar, puesto que una interrupción, Por ínfima

que sea ffsegundos", conducirá a la extinción de la lIama,

1o que está vineulado con el peligro de explosión al

reanudar el suministro de polvo, por eso en 1os hogares de

cámara se instalan, cotrlo regla varios quemadores.

---+----)

+-<l-

+-

FIGURA 53. a Ia Salida de un

EI coeficiente de exceso de aire en el caso de uÍIa buena

mezcla con combustible, generalmente se considera igual a

L.2 a I.25, la combustión imperfecta mecánica es a4 = 0.5%

a 0.6%, La combustión imperfeeta química es 93 = O% a l"a.

Esquema de la MezclaQuemador de Caraeol.

,i+7

L92

6.2-L. Tipos de Quemadores. Entre otros, s€ encuentran

los siguientes tipos de quemadores.

6.2.1.1. Quemadores para Carburante Gaseoso y Desechos

Gaseosos de la Producción. Se destina para suministrar elgas y el oxidante (de una manerá general, €1 aire) al

hogar, mezcl-ar el flujo antes de que comience la combustión

o en curso del mismo proceso de combustión, y estabiLizar

la llama.

Bajo el término de estabilización se entiende la creación

de las condiciones que garantizan una combustión segura de

la llama sin extinciones,pulsaciones o separación deI

quemador. Excepto muy raros casos esto se logra por medio

de un régimen aerodinámico tal, que los productos

incandecentes que se forman durante La combustión se

agreguen ininterrumpidamente a la mezcla nueva de

carburante y aire, asegurando su encendido.

De acuerdo con el principio de formación de Ia mezcla los

quemadores de gas pueden dividirse en dos grandes grupos:

los inyectores y los mezcladores. Al primer grupo se

refieren, €tr particular los quemadores de cocinas de gas

corrientes (Véase Figura 54).

EI gas,con una presión excesiva de varios kilopascales,

salir de tra tobera al mezclador, construido en forma

a1

de

1.93

eyector, succiona

cantidad necesaria

a este desde

de aire, y S€

el medio que le rodea

mezcla con é1.

1a

oRrFtctos

FIGURA 54. Quemadores de Cocina de Gas Corrientes.

La cantidad de aire arrastrado es aproximadamente

proporcional al gasto del gas que arrastra, por 10 tanto a1

cambiar la potencia térmica deI quemador (aumentando o

reduciendo el gasto de gas con ayuda de una válvula o

grifo), la relación entre el gas y el aire, €s decir el

coeficiente de exceso de aire, permanece más o menos

constante. Para cambLarlo durante eI reglaje del quemador

en Ia línea de suministro de aire se coloca una mariposa o

una arandela de resistencia variable.

L94

Los quemadores inyectores no requieren la instalación de un

ventilador para suministrar el aire, pero necesitan mayor

presión del gas. En hogares grandes, con más frecuencia se

utilizan los quemadores mezcladores de dos conductos, en

los que el gas y el aire se suministran bajo presión y se

mezclan parcialmente o por coinpleto en eI mismo quemador o

al salir de este.

La Figura 55, presenta el esquema de un quemador que se

emplea en grandes calderas de vapor. A partir del eolector

anular del gas ( I ) , con una velocidad superior a 100 m/s se

suministra a través de los orificios radiales e1 gas al

encuentro del flttjo de aire.

MAZUT

Quemador de Gas y NlazúX de Tipo Coaxial conSuministro Central de Gas.

)

)

/

o}g

55.

5

I

AIRE

FIGURA

195

La partes correspondientes a la Figura 55, son: (1)

colector de gas; (2') inyector a rotación con aletas; (3)

inyector de mazút; (4) tronera bicónica; (5) canal para el

encendedor; (6) registro de1 discoi (7 ) caja de aire; (8)

revestimiento del hogar.

Prácticamente todo el aire para la combustión se manda a

través del generador de torbellino con aletas (2) que hac.e

retorc'er el f luj o para crear el remolino en 1a salida del

quemador y mejorar el mezclado del combustible.

Una pequeña cantidad de aire se dirige por un tubo coaxial

con eI conducto de mazút (fuel oil) para enfriar eI

quemador (y eI inyector) (este tubo no se muestra en eI

dibujo) para reducir la carga, y respectivamente, eI gasto

del aire la válvula de compuerta ( 6 ) se desplaza hacia la

derecha a 1o largo de1 eje con el fin de reducir la sección

dejada para el paso del aire a través de1 generador de

torbellino con aletas y conservar de este modo la velocidad

necesaria pata remol-inear intensamente eI aire.

La válvula de compuerta tiene un perfil especial para

organizar una corriente suave. En régimen nominal lavelocidad con que sale la mezcla de gas y aire del quemador

aL hogar es aproximadamente de 30 mrls.

El quemador mostrado en la Figura 55, está diseñado para

Los

de

de

quemar no solo combustible gaseoso,

(mazút).

196

sino también líquido

quemadores de gas y de maz$x de las modernas calderas

vapor tienen rendimientos muy altos, de hasta 3.1 m3/s

gas y 2.8 Ke/s de fuel oil.

Los quemadores de gas y de mazút se colocan en las paredes,

en el techo o en la solera del hogar sin parrilla que

representa una eámara. La mezcla de gas y aire previamente

preparada se quema de manera muy intensar por eso, por

ejemplo, en los hornos de ealentamiento la tensión térmica

en e1 hogar qv durante la combustión de los gases aLcanza

de 0.6 a L.2 prW/*3 y Ia combustión imperfecta quÍmica

eonstituye del L% aI 3%, en este caso ga se acepta de un

modo general igual a 1.05 a 1.3.

Uno de

térmica

principales

volumen del

1os

de1

índices del hogar es la tensión

hogar qu:

.r _ aiB = e¡'BYv vh vh

(6.1)

B:vh:

Gasto de combustible.

Volumen del hogar.

Donde

L97

Los hogares de parrilla en los que se emplea combustible

sólido y las cámaras de eombustión de los motores a

reaceión se caracterizan también por la tensión térmica de

La sección transversal del hogar o de Ia superficie de

combustión de la capa qc:

nr=# n,=+ (6 .2)

Donde Area

Area

F:

S:

de

de

la sección transversal del hogar.

la capa de combustible.

Los incrementos de qv y

aumentan la combustión

reducción del tiempo de

hogar.

Qf, de un modo ordinario también

imperfecta a consecuencia de la

las partículas en el volumen del

6.2.2. Ventajas y Desventajas de la Quema en Cámara.

quema en cámara presenta las siguientes ventajas:

Permite la quema de cualquier combustible.

Se puede emplear

ilimitadas.

para potencias prácticamente

El tiempo de combr¡stión total de las particulas decrece

debido a Ia turbulencia que produce eI aire para La

La

198 - ----

combustión con los gases del hogar, hecho que permite

una quema homogénea e intensat";ft".lerada de las

partícu1as.

Entre las desventajas se tienen:

La quema en cám:ara es un poco más costosa que la quema

en'parri1la, por requerir de equipos auxiliares para Ia

molienda del carbón.

Presenta peligro en cuanto

combustión 1o que implica

quemadores.

explosión de gases de

instalación de varios

a

Ia

6.3. QUEIIA EN LECHO FLUTDTZADO

Consiste en la quema de partículas de una capa de material

de granos pequeños a través de la cual de abajo arriba pasa

un gas con una velocidad superior al límite de estabilidad

de Ia capa densa, pero esta velocidad no es suficiente para

arrastrar las partículas fuera de la capa (Véase

Figura 56).

La circulación intensa de partículas en volumen limitado de

Ia cámara da la impresión de un líquido que hierve

intensamente. Una parte considerable de aire pasa a través

de una capa semejante en forma de burbujas que mezclan

L99

violentamente el material de granos pequeños, 1o que

aumenta aún nás la semej anza con eI líquido hirviente y

explica Ia procedencia del nombre.

w,

a

'aa

o¡l/'\ /1lltl

'r *'t ,'-.lu._]lalral

I

-

1.1ot

a

a

a

.. 176

Ivr#-l-Ta lcl

va

-a

-l( o | .'l-T af

ttAIRE

I

FIGURA 56.

RELACTON DE PARTES: t. Cámara do comDusflóndc lccho fluldlzado: 2. parrllla dlstrlbutdora doalrc; 3. Sepentln roerptor do calor.

Método de Combustión en Lecho Fluidizado.

Se queman partículas relativamente pequeñas habitualmente

de 5 mm a L0 mm. La combustión en una capa seudolicuada

(fluida) es, en un sentido determinado, intermedio entre la

combustión en hogar de parrilla y la combustión en hogar de

eámara.

3

2

W

La velocidad de1 flujo de gas es

donde va disminuyendo con la

comparación con las de parrilla

dos veces su longitud.

200

mayor en la parte de abajo

altura de la capa. En

Ia capa aumenta en hasta

En hogares energéticos el lecho fluido consiste en un 95%

a 99% de partículas inertes de ceniza o de un material

especialmente agregado. La concentración de combustible en

la carga no supera un cierto por ciento (al aumentarla en

los productos de la combustión aumenta considerablemente la

cantidad de Hl y CO), por eso en el lecho fluídizado se

puede quemar materiales con un porcentaje muy alto de

cenizas ( desechos de diferentes empresas industriales,

incluyendo basuras domésticas) que no se queman en hogares

de otros tipos.

6.3.1. Ventajas y Desventajas de la Quema en Lecho

Fluidizado. Entre las ventajas se tienen:

Se puede quemar combustible de muy mala calidad.

Las partículas se queman homogénea e intensamente ( todo

el calor se concentra prácticamente en la capa ósear ya

que casi no se presentan pérdidas ) .

La caldera puede ser más compacta.

'20L

Pgr la alta transferencia

pueden mantener temperaturas

contribuye a la no formación

de calor en su interior se

entre 800"C y 1-000'C, esto

de gases altamente tóxicos.

Las desventajas que presenta la

principalmente son:

quema en lecho fluidizado

escape de las

combustible ) ;

No se usa para grandes potencias.

Presenta problemas para cargas variables.

Con cargas altas se tiene el peligro

partículas (debe disminuirse el aire y

para cargas bajas 1o eontrario.

de

e1

Altos porcentajes de inquemados mecánicos er

Como el combustible es quemado en suspensión produce

mayor arrastre de materia en partículas en el gas

chimenea, contrario a la quema en parrilla.

La Figura 57, muestra un fogón con alimentador mecánico y

parrilla vibratoria, La Figura 58, presenta un fogón

primario, tipo ciclónico para quemar carbón triturado y

otros combustibles, la Figura 59, ilustra La instalación

de un quemador para carbón pulverizado de fuego

descendente.

un

de

202

FIGURA 57. Alimentador Mecánico y Parrilla

FIGURA 58. Fogón Primario, Tipo Ciclónico.

203

i

VENTILADOR DETINO INDUCIDO DEL A¡[¡

PRIMAN¡O

InstalaciónPulverizado

ECONOMIZADON

SECUNDAAIO

PRIMANIO !

ATEMPERADON

sALtD^VAPOR

de Quemador para Carbónde Fuego Descendente.

FIGURA 59.

7. TIPOS DE CALDERAS SEGUN SU SISTEMA DE CIRCULACION

Las calderas según el tipo de sistema de círculaeión se

clasifican de la siguiente manera:

7 .L. CIRCULACION NATURAL

En las calderas donde el sistema de circulación del agua es

natural, €1 agua circula solamente debido a Ia diferencia

de densidades del agua y de Ia mezcla de vapor de agua, o

sea que el movimiento en el círculo de evaporación se hace

natural (Véase Figura 60).

Las calderas con este tipo de circulaeión pueden trabajar

solamente hasta la presión de P = 18.5 MPa, ya que se basan

en el principio de cambio de densidad del agua y Ia mezcla

(con el aumento de presión Ia diferencía de densidad es

cada vez menor).

Figura 6I, muestra un esquema del movimiento del vapor

una caldera con circulación natural.

La

en

205

gUPERFICIE

BAJANTE(8, NoCALENTADA}

Pr.TIEZCLA DE

AGUA Y VAPOB

(P*,. ),(8. GALENTADA) BOIIBA DEALIilEHTACIOH

FIGURA 60. Esquema de Circulación Natural.

FIGURA 61. Esquema del Movimiento del Vapor en unaCaldera con Circulación Natural.

Las partes correspondientes a la Figura 61, son: (1) Domo;

(2) Recalentador de vapor de pared por radiación; (3)

entrada del quemador; (4) Recalentador de vapor de techo;

(5) Recalentador de vapor combinado (radiación-convección) ;

1.

2.

206

(6) Tubería vertical sin calentamiento; (7 y 8) Serpentines

horizontales y verticales del precalentador de vapor; (9)

tubos colgantes; (10) Cámara de vapor recalentado.

7.I.L. Garacterísticas de la Tubería de Circulación. La

tubería de circulación presenta las siguientes

caracterí s ti cas :

Las superficies bajantes no deben recibir calor.

Los tubos ascendentes deben tener Ia mÍnima resistencia

hidráulica y característica ascendente permanentemente

(no se permiten cortes bruscos en las tuberías).

La velocidad del fluido en todas las tuberías debe ser

relativamente baja para evitar pérdidas de presión por

fricción. Por 1o tanto los diámetros tienen que ser

relativamente grandes, t 3 pulgadas.

7 .L.2- Múltip1o de Circulación. El múltip1o de

circulación (K) se determina mediante la siguiente fórmula:

3.

g - fra.a

fln.,

Donde para calderas de alta presión

calderas de baja presión K = l0 a 2O, K

K

(7 .L\

=5a10rpata

5, significa que

207

para obtener 1 Kg de

circular 5 veces por

vapor recalentado, 1 Kg de agua debe

e1 circuito de circulación.

La

de

Figura 62, ilustra un esquema de una caldera con domo

circulación natural.

FIGURA 62. Caldera con Domo de Circulación Natural

En la Figura 62, las partes correspondientes son: {1)

Hogar de La caldera; (2) PantaIlas de radiación; (3)

quemadores; (4) Tubos bajantes; (5) Domot (7) Precalentador

de vapor por radiación y convección; (8) Recalentador de

vapor intermedio; {9) Ecoáomizador; (10) Conducto de gases

por convección; (11) Precalentador de aire.

7.1.3. Bases para el Diseño del Circuito de Circulac.ión

Natural en Calderas. En Las calderas con circulación

208

natural eI empuje surge al calentar los tubos ascendentes

(pantallas de radiación) debido a la formación en ellos de

mezcla vapor agua.

P = H g(p-Pr"z"tu) (7.t)

La fórmula (7.L) está escrita suponiendo que en los tubos

ascendentes hay mezcla vapor-agua por toda la altura. En

realidad el proceso de ebullición desarrollado comienza un

poco arriba a la entrada de la zona de transmisión de

calor, esto debido a que el agua entra a una temperatura un

poco menor a la temperatura de saturación de ta1 manera que

la altura de los tubos ascendentes puede dividirse (Véase

Figura 63 ) .

Ha"o*o*,r ooa

Hr

VAPOR

FIGURA 63. Circuito de Circulación Natural en Calderas.

209

En ra parte Hl * Hrronorizador' en

ascendentes se encuentra agua

diferencia mucho de la densidad

suturación y se puede tomar como:

los tubos bajantes y

cuya densidad no se

a la temperatura de

de

Plalaate = P1 = Peconqnlzador = pr (7 .2)

igual a la densidad del agua en la línea de

a Ia presión en el domo.

O sea, es

saturación

El empuje

formación

de circulación se presenta solo en Ia parte

de vapor.

P**u'e = (Hr"r-, + H2) (pr-Fr"""ul g (7.3)

(7.s)

Si condicionalmente se divide

partes ocupadas con agua ( fr) J¡

(fu), entonces, la densidad de

de la siguiente manera:

Ia sección del tubo fo, en

en partes oeupadas con vapot

la mezcla se puede expresar

Pnezcna = 9Ps* (1-tP) Pr (7 .4)

Donde: g Parte de la sección del tubo ocupada con

vapor. Se encuentra en tablasexperimentales de acuerdo a la presión,velocidad de Ia mezcla y contenido de vapor.

f_9=-FLo

Mediante la ecuación (7 .4), se puede expresar Ia

empuje como:

presión de

Pqru¡" = (H,npor+H2)i ( Pr- P"l e

2LO

(7 .6\

(7.e)

Como se observa en Ia ecuación (7.6), la determinación de

la presión de empuje exige hallar el punto en el cual

comienza la ebullición (Véase Figura 63), o sea, laaltura Hecononizado¡ eue se puede hallar igualando la cantidad

de calor necesaria para pasar el agua hasta el estado de

ebullición.

Qeconmízador = L'h6, (K,r/ sl (7.7)

Donde ^h

Diferencia de entalpía del agua a laentrada al hogar y la entalpía en el puntode ebullición.Flujo másico del agua.

Cantidad de calor tomada en un mismo tiempopor la altura.

G

Qecononi zador

Donde:

Donde ql :

Qonn :

Hrrp :

Qeconu,izador = He QecP .eonanizador ü

= Haeonomit"aorQf (7'8)

qf =eFlujo de calor específico tomado a un metrode altura de la pantalla de radiación, enKtü/m.

Absorción de calor de la parte inferior de lapantalla, €o KJ/s.

Altura total de la pantalla.

2tL

Entonces la altura deI economizador es:

^he-=--econontzadot ql(7.10)

se gasta en

los tubos

En régimen estacionario el empuje en el circuito en

circulación se gasta en sobrellevar las resistencias en los

tubos bajantes ( LPa"J"nr" ) y en los tubos ascendentes

(pantallas de radiación, AP.r" ).

(7 . LL',)P espuJe = LPbuJ*tu * APru"

El exceso de empuje que queda después de sobrellevar las

resistencias en los tubos ascendentes del circuito se llama

empuje úti1 de circulación:

PqpuJ" tltiL = P.wuj"- 4P."" (7.L2)

De las ecuaciones (7.LL) y (7.L2)

ecuación de circulacién:

se deduce la principal

Peapule útit = LPo"j"or. (7.13)

O sea, el empuje

sobrellevar, la

út.i1 de circulación natural

resistencia hidráulica en

2L2

baj antes .

7 .I.3.L. Itlétodo de Cálculo del Circuito de Circulación

Natural. Er cálcuIo del circuito de circulación se resume

en la definición de la velocidad de circulación vo. De laecuación ( 7.13 ) , se puede hallar la velocidad vo ta1, que

los valores Penpujeútii y A Pba¡ante sean iguales, sin embargo,

Penpuje útil y A Pba¡ante son funciones del valor buscado vo.

EI valor de Penpuje útil se halla con la fórmula (7 .LZ, ,

definiendo con anterioridad Penpuie de la ecuación (1 .3) y

A Prro. Este últino valor se puede hallar por partes con

iguares características térmicas, constructivas y físicas.

A P^"" = APr + Á P ""on*tzadot

tAPra*t + LP, (7.13)

cada uno de los varores correspondientes de la anteriorecuación ( 7.13 ) , se buscan considerando pérdidas por

fricción, accesorios, pérdidas debido al cambio del volumen

específico por altura y pérdidas debido a la gravedad,

todas estas pérdidas se colocan eonsiderando lascaracterísticas del flujo bifásico.

La resistencia hidráulica de

determina por la fórmula:

los tubos bajantes se

2L3

Donde z Z : Coeficiente de resistencia total.

Vol : Velocidad del agua en los tubos bajantes, s€determina de la condición de continuidad eneI circuito.

Gn"¡rnr. = G""" = Go ( 7. 15 )

Teniendo en cuenta la suma de áreas de los tubos

ascendentes ( Efo ) y bajantes ( Ef¡u:-rr" ).

-r2APn"j"nr. = z$ or (7 .L4)

Ef^vot= vo¡ft (7.16)uLbaiante

O sea eu€, la resistencia de los tubos bajantes también

depende del valor incognito buscado vo.

El valor de la velocidad V0, en m/s, €o las calderas con

domo se encuentra en los siguientes límites:

Pantallas de radiación con entrada directa en el domo

0.5 a L.5 m/s.

Pantallas de radiación con colectores superiores de 0.4

a L.2 mls.

2L4

Al cálculo del circuito de circulación natural le antecede

el cálculo térmico del hogar y la definición de las

características constructivas del circuito.

La velocidad vo puede ser determinada por el método grafo-

analítico, o sea, se escogen valores, por ejemplo, O.2.

0.6, 0.9, L.2 m/s y para eada uno de ellos se determina G,

A Penpuje útil, y A Pba¡ante . Con los resultados obtenidos se

construye un graf íco A Penouie útil = f (G), A Pbaiante = f (G),

formando así la característica hidráulica del circuito de

circulación natural (Véase Figura 7.5).

ABmpu¡e úttl

aPu"¡"nr"

aPb"¡"nt"

FIGURA 64. Característica Hidráulica de1 Circuito deCirculaci-ón Natural.

oE¡I

qo

tlo=¿E

d

2L5

l" la Figura

disminuye A

64, se

Penpuje úti1'

observa que

'ya que |p

con el aumento de G,

Y H,roo, son menores Y

aumenta A Pbrjrnt, ' debido a que aumenta la velocidad, de tal

manera que el punto de intersección entre las dos curvas

corresponde a1 valor verdadero de la velocidad ( flujomásico) de circulación, entonces:

- Gverdadero

"" - -pr

(7 .17 )

Los cáIculos deben ser

variables, número de

distribución de calor

radiación, entre otros.

eomplementados considerando cargas

tubos paralelos, uniformidad de

por altura de las pantallas de

7 .2. CIRCULACION FORZADA

En las calderas de circulación forzada se util-iza una bomba

colocada exteriormente, para forzar eL agua o el vapor en

los circuitos internos de la unidad, independientemente de

las tendencias circulatorias naturales (Véase Figura 65).

7.2.L. Ventajas. Se presentan las siguientes ventajas:

Las calderas son más compactas, tubos más pequeños, de

peso ligero, con menor volumen,

superficies de calefacción y

intensas del fogón, reducen

montaje y el peso de la unidad,

tiempo de instalación y la

costo.

Flexibilidad en la operación, Ia operación

de la circulación natural ( con

característica de inercia), permite un

2L6

mejor disposición de las

la posibilidad de cargas

al mínimo el espacio de

con 1o que se acorta alconsiguiente baja de su

independiente

su peculiar

calentamiento

k=4-8

RELACION DE PARTES:

l. Sum¡nlstlo tlcl ague dcallmontaclón

2. Coloctor'(domo)

3. Evaq|adón de Yapol3etürado

4. Suprrllclr rlc vaporlzadón

5. Coloctor Infctlol

G. Bomb. dc cllqrl|clón.

FIGURA 65. Esquema de Circulación Forzada.

Circulación real, é1 generador no está sujeto a lainestabilidad y dificultades que presenta Ia circulaciónnatural en las altas presiones de operación.

2L7

rápido, cambios repentinos en la t"rg., el

enfriamiento en períodos de tiempo cortos.

Reducción de los períodos de parada, el enfriamiento

rápido, así como eI corto período de calentamiento,

reducen la duración del tiempo muerto. Mayor seguridad

de operación, debido a la posibilidad más remota de que

se quemen los tubos.

7.2.2. Desventajas. Entre ellas se tienen:

Mayor costo

Bombeo,

demanda

1a

de

por requerir de bomba de circulación.

demanda de mayor trabajo de bombeo eleva la

fuerza auxiliar en el sistema.

Almacenamiento deficiente, la falta de capacidad de

almacenamiento dentro de 1a caldera, requiere

generalmente la instalación de almacenamiento de agua

en el sistema de alimentación de la misma.

Equipo auxiliar, €f, el diseño del equipo auxiliar se

presentan algunas complicaciones; por ejemplo, la alta

presión unida a la aLta temperatura, ya que

prácticamente se opera en condiciones de saturación,

acentúa el problema de los empaques para sellar las

bombas.

La Figura 66, ilustra una

y la Figura 67, presenta

forzada de una caldera.

218

caldera de circulación forzada

e1 principio de recirculación

FIGURA 66. Caldera con Circulación Forzada.

üEa

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2L9

PrincipioCaldera.

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E.gi¡

Recirculación Forzada de UnadeFIGURA 67.

220

7 .3. CIRCULACION DIRECTA

Como se mencionó anteriormente, Ia presión de diseño es ellímite para las ealderas de circulación natural y

circulación forzada. Ambas dependen de la circulación de

un excedente de agua y de que el vapor se separe del agua

en algún recipiente. La diferencia entre las densidades

del vapor y del agua, hace posible su separación. A

189 . 8 xe/ crr-b (27OO lb /pLeE) , el a1va pesa 545 . 4 xe/m3

(32.8 lb/pie3¡.

A medida que la presión aumenta, la diferencia entre la

densidad del vapor y la del agua decrece progresivamente

hasta llegar a una presión d,e 225.4 xg/cm? (3206.2 1b/pu12)

y temperatura de 373.74"C (705.4'F) críticas, en el que elpeso específico del vapor y del agva se igualan (más o

menos a 3L9. 4 Kg/m3 ( 20 lUlpie3 ¡ ¡ . Por esre motivo ya no

pueden ser separados en este punto, y s€ hace necesario e1

empleo de una caldera de circulación directa.

En las calderas de circulación directa, €1 agua de

alimentación es forzada a través de los circuitos de lacaldera continua, €D cuyo trayecto cambia de estado

(eonvirtiéndose en vapor), cambio que se origina, durante

su flujo, a 1o largo del total de la tubería. Después de

esto es ealentada, evaporada y supercalentada alsuministrarsele mayor cantidad de calor.

22L

La capacidad de generación de vapor es igual,

numéricamente, a La cantidad de agua que se le suministra.

Normalmente, este tipo de caldera no tiene domo. Debido a

que no se fuerza ningún exceso de agua a l-a caldera, no se

requiere otra clase de bombeo que el de las bombas de

alimentación de la caldera.

Esquemáticamente (Véase Figura 68), este tipo de calderas

se ilustra mediante un tubo largo, calentado por una flama,

en el que se inyecta eI agua por un extremo y del otro se

aprecia el escape de vapor. Debido a 1o rápido de la

conversión del agua en vapor durante su contacto con las

superficies calientes de generación, este tipo de calderas

recibe frecuentemente el nombre de caldera instantánea.

RELACION DE PARTES:

1. Bomba do allmüntadól.

2. Coloctor Inforlor:

3. Partc dc cconomlzador d. lasuporflclo dc calcntamlcnto

4. Suporflclc dc Yapor¡zaclón

5, Partr do rocalontador do vapordo la suporfldo do calcnt¡mlcnto

6. Evacuadón d"t vapor rcc¡lfnt¡do.

I

l'lII

I-I

J,

FIGURA 68. Esquema de Circulacíón Directa.

se

de

de

1.

222

El múltiplo de cireulación para este tipo de calderas es

K = 1,0 ( 1 Kg total de agua al circular una sola vez se

convierte en 1 Kg de vapor). A pesar de que esta caldera

proporciona una considerable economía en peso, ofrece las

siguientes complicaciones de diseño:

Las sales precipitadas y los cuerpos sólidos que

adhieren a los tubos a consecuencia del proceso..'evapotízación, necesitan ser eliminados por nedio

algún sistema de limpieza o lavado.

La temperatura de vapor supercalentado varía

rápidamente debido a que eI punto de evaporación en el

circuito, cambia con las fluctuaciones de la carga.

Con capacidades bajas de vapor, Ia corriente lenta del

agua de lugar a una formación muy rápida del vapor,

oeasionando el sobrecalentamiento de los tubos.

La bomba

presión.

de alimentación tiene que ser de muy alta

El agua que circula debe ser lo más limpia posible,

debido a que no hay forma de purga.

La Figura 69, muestra

circulación directa.

2.

3.

4.

5.

esquema de una caldera de

223

r====t uil¡='r=:coo¡c¡c¡l-Fo'GEF

-IÉo

EÁ

Caldera con Circulación Directa.69.FI€T'RA

8. TRATATTIIENTO DE AGUAS PARA PLANTAS TERII{ICAS

EI aglra químicamente pura es difíciI de conseguir, debido

a que es el solvente universal donde todas las sustancias

son solubles hasta cierto grado. Por 1o tanto, La

composición de1 agua refleja 1a naturaleza del terreno

donde fue obtenida, y d€ allí que la calidad del agua varía

con su origen y con la estación climatológica reinante.

El fin del tratamiento de aguas en una planta térmica es

mantener una determinada calidad del agua y del vapor que

se produce, para evitar fenómenos tales como: depósito de

substancias incrustantes, corrosión en las superficies

metálicas y accesorios, arrastre o espumas y fragiLidad alacero de las calderas.

8.1. CARACTERISTICAS DEL AGUA

El agua que se utiliza en las plantas térmicas se toma

generalmente en su estado natural de ríos, lagos y pozos,

en muy raros casos del mar, y antes de ser sometidas alciclo necesitan ser tratadas de acuerdo a unas exigencias

225

que se acentúan con el aumento de los parámetros de vapor.

Las principales impurezas que contiene el agua natural Son:

Impurezas en forma de gases.

Partículas dispersas ( con medidas hasta de 10-5 cm) .

Soluej-ones coloidales (partículas hasta 10-7 cm).

Otras soluciones (con partículas hasta 10-8 cltr, o sea

moléculas e iones).

B1 contenido de cualguier sustancia en el agua se expresa

en concentraciones, estas pueden ser:

Goncentración masica (mg/Kg, mKg/Kg, mg/L) .

Concentración normal (ng-équivalente/l, mKg-eq,/l) .

Partes por millón de solución (p.p.m). Una parte por

mitlón equivale a un miligramo por litro.

EI agua limpia de gases disueltos y de partículas dispersas

constituye un electróIito, o sea una solución compuesta pot

cationes y aniones.

Cationes

Aniones

ca2+

cl- ,

226

, Mg2*, rtr'* , H* y otros.

So42-,col2- sio32-, Po43- y otros.

sobrepasa 2 mg-eq/Kg el agua se considera

mg-eq/Kg medio dura y de 5 mg-eq/Kg en

alta dureza

8.1.1. Parámetros que Determinan la Calidad del Agua.

Entre los parámetros que determinan la calidad del agua se

tienen:

8.1.1.1. Dureza. Se define como el contenido de Ia suma

total de los cationes de calcio y magnesio (Ca, Mg)

contenidos en el agua en mg/l, mg-equi/L. La dureza puede

ser de carbonatos como Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2.

Si la dureza

suave, de 2

adelante agua

8.1.1.2. Contenido

contenido total de

forma de SiO2r SiO3,

especialmente en los

de Sílice. Se caracteriza por e1

silicio en e1 agua, generalmente en

eI cual ocasiona fuertes sedimentos

álabes de las turbinas.

no

a5de

8.1.1.3. Contenido

minerales ( sales en

de Sales. Se

estado soluble).

8.1.1.4. Contenido de

de impurezas oxidantes,

de oxígeno, normalmente

compone de impurezas

Oxígeno. Caraeteriza eI contenido

por 1o general se mide eI contenido

es igual a L/3 mg/L.

227

8.1.1.5. Alcalinidad. Se define como compuestos

neutralizantes de ácidos presentes en e1 agua y en general

en aguas naturales; está dado por Ia presencia de

bicarbonatos, carbonatos, fosfatos y otros. La alcalinidad

se mantiene con dosis de soda, fosfatos de sodio y en

algunos casos con amoníaco.

8.1.1.6. P.H. El PH en el agua.de la caldera debe

mantenerse en un nível intermedio ya que un PH demasiado

bajo acelera la corrosión. La fórmula para calcular el PH

es:

PH = -Lg CH (8.1)

Donde CH : Concentraeión de átomos de hidrógeno.

PH > 7, agua básica (alcalina), PH < 7, agua ácida, PH = 7,

agua neutra.

a.I.z- Problemas que se Presentan en las Calderas. Los

principales problemas que Se presentan en lab ealderas como

consecuencia de un deficiente o nulo tratamiento de agua

son: corrosión, incrustaciones, fragilidad, picaduras '

arrastre, etc.

8.1.2.L. Gorrosión. Es un desgaste anormal o disolución

de un metal al reaccionar con su medio ambiente,

228

ocasionando así una disminución de sus propiedades

mecánicas. Aunque los .factores que más influyen en esteproceso son innumerables, 10s más importantes son: oxígeno

disuelto, concentración de iones, hidrógeno, velocidad delagua, temperatura y bajo PH.

8.1.2-L.1. Oxígeno Disuelto. particularmente todas

agua neutras contienen oxígeno disuelto y por ellocorrosivas.

La velocidad de corrosión se encuentra aproximadamente en

proporcionaridad, varía dependiendo de otros factores como

concentración del ión hidrógeno, eI pH del agua y

condiciones de servício y temperatura.

8-1-2-L.2. concentración de rones de Hidrógeno. La altaconcentración de iones de hidrógeno, tiende a aumentar lacorrosión del metal, debido a que un aumento de estos iones

signifíea una mayor aci-dez.

En aguas neutras o alcalinas predomina 1a remoción de

hidrógeno por oxidación, pero en aguas ácidas es dominante

la despolarización del agua catódica, por eIdesprendimiento de burbujas de hidrógeno.

las

son

8. 1. 2.t -3.

del agua que

Velocidad del Agua.

pasa sobre el metal,

Un aumento de velocidad

aumenta la velocidad de

229

corrosión. Generalmente se debe al hecho de que eI

movimiento rápido del agua sobre Ia superficie acarrea

cantidades mucho mayores de o*r*".,o en contacto con eI

metal

8.1.2.L.4. Temperatura. Debido a la solubilidad inversa

del oxígeno, a mayor temperatura Se libera más oxígeno, €1

cual se dirige hacia las superficies, atacándolas.

El fenómeno de la corrosión eS uno de los más preocupantes

a causa de los graves daños que produce y Por los

innumerables factores que en ella intervienen y

frecuentemente juntos, se considera en.tre los más complejos

y difíciles de la química inorgánica.

si se considera un pedazo de hierro sumergido en agua

químicamente pura en donde como se ha visto, parte del agua

está disociada como H+ y OH-, €fl el instante en que este se

pone en contacto con el agua se establece un campo

eléctrico, por efecto del cual un cierto número de átomos

de hierro se desprenden de la masa metálica como iones

positivos.

Fe ----) Fe++ 2 electrones

o captando La earga de los iones Hi como:

Por otro lado parte de los

equilibrio, se combinan

hidróxido ferroso:

230

2 electrones 2H

iones OF, que ya no están en

con los iones Fe++ formando

2#

Fe++ 20'r{

A su vez e1 hidróxido ferroso en sorución eleva ra

concentración del 1íquido y la corrosión terminaría por

pasar o al menos dísminuir considerablemente su velocidad:

esto si en el agua no estuviese presente el oxígeno pero

como está presente, el hidróxido ferroso se oxida a férricoeI cual es insoluble.

4Fe(OH)2+2\o+o,

Este hidróxido férrico se precipita rompiendo nuevamente elequilibrio y reiniciando el proceso. El hidróxido atómico

que se ha formado se deposita sobre el cátodo hasta elpunto en que Ta fuerza erectromotríz del hidrógeno se opone

a1 flujo de la corriente en la celda deteniendo 1a

reacción; este fenómeno recibe el nombre de porarizacíón.

2 electrones + 2H++ 2H

cuando e1'oxígeno está presente se dirige hacia el área

23L

catódica reacciona con ely permitiendo que continúe

hidrógeno atómico formando agua

la acción corrosiva.

El oxígeno disuelto es un factor importante en el mecanismo

de la corrosión por su acción propia y estabiJ-ízant-e en los

otros procesos corrosivos principalmente en su acción

oxidante de las sales ferrosas que llegaría al equílibrio

de férricas insolubles eon 1a consecuente actividad y

continuación del proceso primario. Sin embargo, cuando se

disminuye el PH de la solución, la presión. del ión

hidrógeno en el cátodo es sufieiente para permitir que se

libere eI hidrógeno y la corrosión pueda continuar en

ausencia de oxígeno.

Otro tipo de corrosión, e1 más común es causando por

oxígeno disuelto en eI agua y por bajo PH causando por la

presencia de dióxido de carbono. El coz se origina

directamente del agua de alimentación o de la

descomposición de carbonátos en e1 agua, de la siguiente

forma:

HCO3-

cot + Ito ----> 2or{ + Col

En el condensa.do, el COz se combina con agua para formar

ácido carbónico.

232

COn + HnO¿t,tJ

El ácido carbónico se íoníza produciendo ión hidrógeno e

ión carbonato:

H2CO3

La corrosión por hierro se presenta como resultado de un

bajo PH:

Feo

La reducción del ión hidrógeno ocurre en el cátodo de lacelda de corrosión en dos etapas:

2H+ + 2e

cuando esta reacción ocurre, el ión ferroso: producido se

combinará con el ión bicarbonato para formar bicarbonato

ferroso:

Fe++ + 2HCOI-

EI bicgrbonato se puede descomponer para formar carbonato

ferroso o hidróxido ferroso:

233

Fe(HCo3 )2

Fe(Hcor)2

Estas reacciones liberan COZ haciendo que el ciclo se

repita. La corrosión por bajo PH ataca e1 metal

especialmente en las roscas de las tuberías y en las

secciones sometidas a esfuetzo.

8.1.2.2. Problemas por Picaduras. Altos esfuerzos y

elevadas temperaturas en las superficies metálicas de Ia

caldera, aceleran los procesos de corrosión. Esfuerzos

cíclicos causados por rápidos enfriamientos y

calentamientos son sitios de concentracién de desgastes por

picaduras y corrosión por donde normalmente fallan los

tubos

8.1.2.3. Problemas por lficrustación. La formación de

depósitos sólidos dentro de las calderas bajo condiciones

de producción de vapor, da como resultado la acumulación de

lodos o la formación de incrustaciones. Los depósitos en

forma de incrustacioones son sumamente perjudiciales, ya

que son malos conductores del calor' causan reducción de la

eficiencia y a menudo son responsables de que Se quemen los

tubos o placas.

234

8.1. 2.4. Problemas por Fragilidad. El efecto fragil izante

del hidrógeno de sodio sobre el acero se debe aI

desprendimiento de hidrógeno y a La absorción por el acero

del hidrógeno en estado naciente. Este fenómeno se

facilita cuando se emplea agua de tipo fragiLízante y

cuando existen espacios estrechos en áreas sumamente

tensionadas en las que puede haber soda cáustica.

8.1.2.5. Problemas por Arrastre en el Vapor. La

produeción del vapor limpio y seco ha llegado a ser un

problema mucho más urgente conforme la eficiencia de1

equipo generador de ha ido aumentando mediante el .tr"o de

calderas de alta presión. Cuando se arrastra agua de

calderas en el vapor, esta puede producir depósitos en las

líneas principales de vapor y en las válvulas, €D los

sobrecalentadores y en las tuberías.

En contraste con este tipo de arrastre, se presenta debido

a las ebulliciones extremádamente rápidas, casi explosiva

del agua en las superficies de calentamiento, 1a cual

produce una proyección del líquido en el domo del vapor.

El arrastre también puede producirse cuando las burbujas de

vapor suben de las superficies de calentamiento formando

una capa de espuma sobre la superficie del agua. La espuma

puede llenar el espacio del vapor a tal grado que parte de

ella entra a los tubos conductores del vapor.

235

En la Tabla 11, se relacionan las impurezas con los

efectos del agua para calderas.

TABLA 11. Impurezas y Efectos del Agua para Calderas.

IMPUREZA EFECTO

Oxígeno

CarbonatosBi-carbonatos Alcalinidad ArrastreHidratos

Hi-erro

Materia Orgánica

Corrosión

Espuma

Fragilidad Cáustica

ColorDepósitos

DepósitosToxicidadCorrosión

ColorDepósitosInterferencias en e1 análisis

Só1idos Suspendidos

Sulfatos Depósitos

Sílice Depósitos en turbinasDepósitos en calderasDepósitos en otros equipos

Acido Sulfídico (HrS) CorrosiónOlor

Dureza (Ca, Mg) DepósitosFuente: CASTRO MORA, Javier. Operación Efici.ente de

Calderas y Hornos Industriales. UniversidadNacional de Colombia. Facultad de IngenieríaMecánica, Página 239.

8.1.3. Origen y Comportamiento de las Impurezas en el

Agua. El origen y comportamiento de las impurezas en el

agua se debe a varios factores:

236

8.1.3.1. Succión de Agua y Aire en los Gondensadores.

Generalmente los condensadores de las turbinas de vapor son

de superficies, o sea el vapor se condensa utilizando como

medio refrigerante agua de ríos, pozos, mar, etc., que se

hace pasar por tubos (superficies de intercambio) con una

presión de 150 KPa a 200 KPa, mucho mayor que la presión

del vapor que se condensa (5 KPa), lo que hace posible que

a la mínima falta de hermetismo en Ia tubería (ma1a unión,

poros, problemas de corrosión) se produzea eL paso de agua

refrigerante al lado de vapor (agua tratada), contaminando

de esta manera eI agua de todo el ciclo. Además de esto se

puede haber succión de aire hacia el lado de vapor debido

al vacío en el condensador (aproximadamente 5 KPa), en elaire se encuentran gases agresivos como 02, coZ y N2 que

pueden ocasionar problemas de corrosión, con el agua

refrigerante entran sulfatos y bicarbonatos de Ca, Mg y Na

y sílices.

8.1.3-2. Con el Agua Adicional. Agua para suplir pérdidas

de vapor y eondensando en el eiclo. A veces esta agua

puede contener uniones de sodio, productos de corrosión y

otras impurezas, e incluso gases disueltos 02 y COl.

8.1.3.3. Con Productos de Corrosión. Principalmente de

precalentadores y otros intercambiadores óxidos de Fe, Cu,

C'r, Ni, Zn, AL y otros . Las impurezas se pueden encontrar

en suspensión o en solución.

237

Las impurezas difícilmente solubles como las uniones de Ca

y Mg forman sedimentos dificultando la transferencia.

También puede haber sedimentos de otras unionesr Na3POO

(fácilnente solubles en agua). El paso de las impurezas eR

solución a fase sólida ( cristalización) sucede si la

concentración de estas impurezas es mayor que la

solubilidad de las mismas en eI agua a unos parámetros

dados. Algunos eristales se pegan a las superficies

formando sedimentos, otros quedan en solución formando

fangos.

La solubilidad de las impurezas en el agua depende de sus

propiedades y de los parámetros del medio: presión,

temperatura y en otros casos también PH.

La Figura 7O, muestra La solubilidad de los principales

parámetros de sedimentos de acuerdo a 1a temperatura.

Según esta gráfiea, los silicatos y sulfatos de calcio y

magnesio son los más difíciles de sacar por su gran dureza

y por que no tienen 1a propiedad de aglutinarse y asentarse

en los colectores como los demás {CaCOr, MB(oH)z), los

cuales pueden ser evacuados fácilmente después de

calentarse.

Los productos de la corrosión (óxidos de hierro y eobre) en

parxe se quedan en La superficie y pueden pasar al agua

para luego pegarse a otras superficies aumentando su

238

resistencia térmiea ya que su conductividad es muy baja en

comparación con Ia del acero (0.08 4.0 Iü/m"C) contra

(30 - 45) trrl/m'C en los aceros, por eso una mínima capa

(0.1 / O.3) mm puede representar peligro para el confiable

trabajo de las superficies.

mg/Kg12l¡

1('('

ao

ao

4('

20

FIGURA 70.

troG

Solubilidad de los Principales Parámetros deSedj-mentos de Acuerdo a Ia Temperatura.

Algunas impurezas del agua pueden pasar al vapor

principalmente en dos formas: con eI arrastre de gotas de

agua hirviente y como consecuencia de la solubilidad que

tienen argunas impurezas en el vapor los hidróxidos de

metales y los óxidos de sílice tienen una alta solubilidaden el vapor recalentado y crece con el aumento de Iapresión al contrario de las sales de ca y Mg que diminuyen

en el vapor recalentado.

239

Las impurezas en el vapor forman sedimentos en los

recalentadores de vapor y en los álabes de las turbinas.

En el primer caso dificultan La transmisión de calor

calentando las paredes de La superficie y en el segundo

caso tiende a aumentar la fricción en los álabes aumentando

la resistencia al paso de vapor y por consiguiente los

esfuerzos axiales, disminuyendo la eficiencia y

contabilidad de1 turbo grupo.

8. f .4. l4étodos para tlantener los ParáDetros del Agua en su

Valor Normal. Entre las principales aetividades utilízadas

para mantener el agua en parámetros admisibles se tienen:

Preparación del agua antes del arrarique.

Organización de purgas continuas y periódicas.

Preparación del agua para 1lenar pérdidas en el ciclo.

Desgasificación del agua de alimentación.

Dosificación del aglJa con compuestos que corrijan el

régimen de1 agua.

Ejecución de lavados en la caldera después de una larga

parada. (Además utilización de compuestos de

conservación y anticorrosión).

-- - inltlttttl,túAut0noma de 0ccidcnte II rircíjtoN BlBLtorEcA It -.................,'.,.*--4

8.1.5. Tratamientos

Entre los tratamientos

se tienen:

240

Específicos del Agua para Calderas.

específicos para el agua de calderas

8.1.5.1. Tratamientos Típicos para el Agua Cruda.

tratamientos típicos para el agua cruda se tienen

siguientes:

8.1.5.1.1. Coagulación. Las aguas crudas contienen

proporciones variables de sólidos suspendidos en cuanto atamaños, y los que son relativamente finos que aparecen

como turbidez y color no son removidos por sedimentación.

El fin de la coaguración es limpiar el agua de impurezas

coloidales y de esas partículas en suspensión como

resultado de la aglomeración de las mismas, o sea formando

partículas más grandes (pesadas).

Para Ia remoción de estas partículas se utilizan por

general coagulantes comunes como son sales de hierroaluminio, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfatoaluminio (alumbre) y aluminato de sodio.

8.1.5-1.2. Desgasificación. El aire disuelto en elcondensado, en el agua de alimentación y en eI agua

adicional, contiene gases agresivos (02, coz) que provocan

la corrosión del equipo y ras tuberías de Ia centrar

Los

los

1o

v

de

24L

Termoeléctrica para

el gas se emplea la

la protección

desaireación.

contra la corrosión por

La desaireación térmica

solubilidad de los gases

Ia temperatura.

Además de este método'

contrarrestar los restos

basa en la disminución de la

02 V CO2 en el agua al aumentar

utiliza Hidrazina (NZH¿) para

oxígeno que quedan.

se

de

El proceso se lleva a cabo en los desaireadores

(desgasificadores) que son intercambj-adores de eontacto

directo entre los medios vapor y agua. La desgasificación

se basa en Ia ley de DALTON (Ley de las Presiones

Parciales ) según la cual 1a concentración de los gases

disueltos en el agua es proporcional a la presión parcial

de los gases sobre la superficie del agua- A1 hervir eI

agva la presión parcial de los gases sobre la superficie

disminuye, de igual manera su concentración. Parte de1

vapor se ventea a la atmósfera transportando la mayoría de

los gases disueltos.

Los desaireadores también sirven para almacenar agua de

alimentación a parte de actuar como un precalentador más.

se

de

NlHt + ot ----> Nt + 2\O

242

De la relación resulta agua y nitrógeno que no causan daño

a la caldera, pues eI nitrógeno es inofensivo y es

desalojado junto con el vapor. Si la eficiencia de lahidracina es del ciento por ciento, una P.P.M. de hidrazj,na

removerá 1 P.P.M de oxígeno.

8.1.5.1. 2.L - Principio de Funcionamiento de un

Desaireador. uno dé los desaireadores más comunes es eldesaireador de chorro y goteo, en este, el agua a desairear

se suministra a través de la eámara mezcladora al prato

distribuidor superior en forma de anilIo; a través de losorificios de 5 mm a 8 mm de diámetro en eI fondo de este

plato eI agua cae en forma de lluvia aI siguiente platodiscoidal (tamiz), dispuesto bajo eI primero, etc., se

emplean de dos a cinco platos dispuestos uno bajo el otroa la distancia de 400 a 1200 mm. Los platos se hacen

alternativamente en forma de discos en el centro y anulares

contiguos a la pared interior de la columna.

El vapor de calefacción se suministra a Ia parte inferiorde la columna a través de un colector centrar con

orificios. Al subir, el flujo de vapor pasa sucesivamente

a través de los inventarios entre los platos centrales y lasuperficie interior de la pared de la columna y por dentro

de los platos anulares, atr'aviesa eI chorro de agua

carentándo1a hasta ra temperatura de saturación (véase

Figura 7L-a.) los gases que se desprenden del agua junto

243

con una parte pequeña de vapor y aire se evacuan de la

columna a través del racor central (3) en su parte

posterior (del desaireador de vacío, mediante un eyector)

(Véase Figura 71.b. ).

JI-f¡-ffif,f,llllF

a)RELACION DE PARTES:1. Alrc

2. Enfrl¡dor dcl vapor exc¡¡lvo3. llczcl¡ de vepor y elrc4. Roguhdor d¡ nlv¡l do ague

5. Ev¡cu¡clón dcl egur d¡c¡lrcad¡

b)

8. Evacu¡clón d¡l condcn¡¡do dcl vepor excealvo

7. Sumlnlrtro del egue ¡ dec¡lre¡r8. Sumlnl¡tro del vapor de c¡hf¡cclón9. Bomb¡ de ¡llment¡clón1O. Eyrctor

FIGURA 7L. Montaje del Desaireador Térmico: a. DePresión Atmosférica o Elevada. b. De Vacio.

8.1.5.1.3. Osmosis Invertida. En este proceso una

membrana semipermeable permite el paso de iones desde una

244

solución más concentrada a otra menos concentrada sinpermitir el proceso inverso. De esta manera los sólidos

disuertos en e1 agua se reducen significativamente. Los

costos de instalación y operación son altos.

8.1.6. Tratamiento Externo del Agua de Alinentación.

8. 1.6. 1. Precipitación Quínica. Los métodos de

precipitación se utirizan para reducir dureza, arcalinidady en algunos casos sílice. se añade ciertos compuestos

quÍmicos que reaccionan con los minerales disueltos en elagua produciendo compuestos relativamente insolubles.Entre los más utilizados se tienen:

8.1.6.1.1. suavizací6¡. se utíLiza para Ia disminución de

la alcalinidad y por consiguiente de la dureza del agua, o

sea de los iones de ca y Mg. Los elementos que se utilizanpara la disminución de la dureza son ear (caoH) o carbonato

de soda (Na2c03 ) . Estos elementos tienen la capacidad de

reaccionar con los carbonatos ca(HCo, )2 v Ms(Hco3)2 y formar

C2CO3 y Mg(OH)l los cuales no se adhieren a las paredes y se

precipitan en forma de lodos. El proceso de suavización se

puede reaLízar combinado con el de coagulaeión.

8-1.6.L.2. Proceso de rntercambio rónico. Este proceso se

utiLj-za cuando se requiere una suavizaeión más profunda.

245

Los minerales disueltos en e1

cargadas eléctricamente llamadas

calcio se íoniza de la siguiente

agua forman partícu1as

iones. El bicarbonato de

manera:

1. Unión calcio Ca++ con dos cargas positivas (catión).

2. Unión bicarbonato HCO' con una car5a negativa (anión).

Ciertos materiales entre los que se incluyen las resinas

sintéticas, que pueden remover iones minerales

intercambiandolos por otros. Usando uRa resina de

intercambio catiónico, los cationes ca++ y Mg** son

absorbidos y el catión Na' Se libera. Usando una resina de

intereambio aniónico, ciertos aníones como el HCO3- (ión

bicarbonato) y SO¿ = (ión sulfato) son absorbidos y

reemplazados con OH- (ión hidrógeno).

Los intercambiadores iónicss son regenerados con cloruro de

sodio (NaCl) o ácidos (H2SO4 o HCl) para intercambiadores

catiónicos, y con soda cáustica (NaOH) o hidróxido de

amonio (NHpH) para intercambiadores aniónicos dependiendo

del tipo de proceso.

La Figura 72, muestra un

suavizaeión con resinas Na.

esquema deI proceso de

RELACIOI{ DE PARTES:

l. Agua cruda

2. Bomba

3. Tanquo mozclador para cl coagulantr y la cal4- Flltro

246

e. SoluAón espcdel pa?a genrlar rc.lnas7. Tanquc con ague p¡?¡ llmpltz. dc flltlo¡6. Agua suayr5.Re.¡n¡s dc ao.l¡o

FIGURA 72. Esquema Tecnológico del procesoSuavización con Resinas Na.

8.1.6.2. DesmineralízacíÓn. Este proceso se aplicasolamente en plantas en donde se requiere agua de altÍsimapvreza, por ejemplo, €n calderas de alta presíón.

Principalmente se puede sacar las sales de sodio y siricio.

La desmineraLización se puede reaTizar por métodos térmico(destilación) y químico.

8.1.6.3. Térmico o Destilación. Se utíIíza en losevaporadores que son intercambiadores de superficie en loscuales utilizando calor de condensación del vapor de una

247

de las extracciones de Ia turbina se recibe un vapor

secundario (destilado). Generalmente se uti]-j-za este

método para suplir pérdidas

La Figura 73,

evaporación.

RELACION DE PARTES:

l. Evaporador

2. Dcs¡lreador {desg.slflcrdor}3. Procrlcntador dc egue de allmont¡clón4. Enr¡d. dc egu. 8u.Yc de .llmontadón

esquema de1 sistema de

5. Extaocdón do vapor dc la turblna

6. Yapor srq¡ndarlo (dcctll¡tlo)7. Condcns¡do8. Purg. dol .v.po?¡dor.

muestra un

FIGURA 73 Equipo de Evaporación.

8.1.6.4. Químico. Se basa también en adherir los

diferentes aniones y cationes que se encuentran en el agua

por medio de resinas.

PARTES:

248

8.1.7. Tratamiento Interno del Agua para Calderas.

Complementa los dos tratamientos anteriores, puesto que

pequeñas cantidades de impurezas (hierro, dureza, oxígeno

o sílice) puede causar serios problemas en la caldera. Con

el tratamiento interno se pretende conseguir los siguientes

obj etivos :

1. Eliminar dureza del agua por medio de agregados

químicos.

2. Por medio de acondicionadores sintéticos o naturales

prevenir la acción de sólidos suspendidos sobre las

superficies metálicas .

3. Por medio de químicos antiespumantes prevenir el

arrastre.

4. Por medio de atrapadores de oxígeno prevenir la

corrosión.

5. Conciertos compuestos químicos mantener suficientealcalinidad para minimizar corrosión.

8.1.7.1. Elininación de Dureza. La dureza del agua no

eliminada en los dos primeros tratamientos. QuÍmicamente

se comporta de la siguiente manera:

249

Bicarbonato

Carbonato

calcio

sodio

Carbonato de

Hidróxido decarbono

calcio insoluble

Sodio+Dióxido de

(cada una de las

fosfóricos ) .

de

de

8. 1. 7 .L.L. Ac.ción

sales o ésteres de

de Fosfatos. Fosfato

los diferentes ácidos

Los fosfatos aetúan de la siguiente manera:

Entre los compuestos más utilizados se tienen:

NaH, POO

Na2HPOO

Na, PO,

NaPO,

EI compuesto resultante es eI fosfato de

que precipita en forma de lodo.

Fosfato de sodio+

Bicarbonato de calcio

Fosfato de ealcio

Carbonato de sodio

calcio Ca, ( POa )2

En presencia de soda

reacción:

ñiñi¿t¿ Anillnnnra de occid¿nt¡

sECCloN ulBLl0lEcA,-

cátrstica, ocurre 1a siguiente

Hidróxido de Sodio+

Bicarbonato de Magnesio

¿s0

Hidróxido de üagnesio

Silicato de üagnesio(si hay Sílice)

l-os iodos formados son removidos de la caldera por medio

purga.

8.1.7.2. Sílice. Tiende a precipitar como incrustación y

dar lugar a la formación de puntos calientes.

Normarmente este probrema se controla conservando altaalcalinidad para solubiLízar la sílice, con materiales

orgánicos para prevenir Ia adherencia de las superficiesmetálicas o por medio de tratamiento con polímeros

sintéticos.

8.1.7.3. Tratamiento de Condensados de Vapor. La

corrosión causada en las lÍneas de condensado de vapor se

origina por eI COZ (que forma ácido carbónico) y el Oz

presentes en el condensado de las Iíneas. Los sistemas se

protegen por medio de eiertas aminas que forman capas

protectoras de las superficies metálicas.

8.2. PURGA DE LA CALDERA

Puede ser continua o periódica. se usa para sacar rodos,

restos de corrosión y otras impurezas que por su peso se

25t

van almacenando en el fondo del domo o de los

La putga continua generalmente se mantiene en

del total de la producción de vapor.

colectores.

0.5% a 1.0%

En Ia Fígura 74, se ilustra un esquema del equipo de purga'

la Figura 75, muestra un esquema de un sistema. de

tratamiento de agua pafa calderas y la Tabla A2, se

presentan datos guías para Ia ealidad del agua para

calderas.

RELACION DE PARTES: l. Domo; 2- Purge perlódlca: 3- Tom¡ dc purge:4. vályula:5. Válvula dc rcgulaclón do pulga; o. Expansol; 7. Agua dc lapurga; E. Int.rcamblarlor ds calol.

\- - -\-_ -J

FIGURA 74. Esquema del Equipo de Purga.

252

AGUA CNUDA

FILTRACION

DES''TNENALTACION

SUAVIACION

DESA'NEAC'ON

BOMBA DEALIMENTACION

TRATAM'ENTO GTUIMICOINTENNO

CALDENA

PURGA (CONflNUAO INTENMITENTE

FIGURA 75. Esquema de un Sistema de Tratamiento.de Agua.

253

TABLA L2. Datos GuíaCalderas.

para Ia Calidad del Agua de

PTESI|I| IIE

SAIIDA GATIIIM

( PSrGI

AI.ITE|IAGIOX

s|ll,rt]0s

IOTAI,IS

P.P.t.

AIGALIiID,ID S0[ID0S Sttt0ü

{T0rAr,l susPExDrll0s

P.P.I. P.P.[. t.P.I.

c0Dt[ DUtEz IP.t.il. P.P.t.Cu GaG0,

c0iltucttrcIAESPICITICA

IIGt0ilH0$/cr

lInt|)P.P.t.

Fe

0 - 300 3s00

301 - 450 3000

451 - 600 2s00

601 - 750 2000

751 - 900 1500

901 - 1000 1250

1001 - 1500 1000

l50l - 2000 750

700 300 125 7000

600 2s0 90 6000

500 150 50 5000

400 100 3s 4000

0. 100 0.050 0.300

0.050 0.025 0,300

0,030 0,020 0.200

0.025 0.020 0.200

0,020 0.015 0.100

0.020 0,01s 0.050

0,010 0,010 r{D

0.010 0,010 ilD

300 60 20 3000

I t000

2.5 150

250

200

4U

20

150 l0 1.0 100

ND : No Deteetable.

9. BASES PARA EL CALCULO AERODINATT{ICO EN CATDERAS

Antes de comenzar el cálculo aerodinámico en calderas,

necesarío identificar el conducto de aire y el conducto

gases.

El conducto de aire está conformado por los diferentes

equipos para Ia succión e incremento de la presión del

aire, precalentamiento, transporte y suministro del mismo

al hogar de la caldera.

El conducto aire incluye: eI conducto de aire frío, €1

conducto de aire caliente, €l precalentador de aire (lado

aire), los quemadores, Ta resistencia aerodinámica de todo

el conducto de aire y del ventilador de tiro forzado.

El conducto de gases incluye: varios elementos por los

cuales lleva a cabo el movimiento de los productos de losgases, desde el hogar hasta la salida hacia la atmósfera,

e incluye el conducto horizontal de gases y el conducto por

convección o vertical de la caldera, teniendo en cuenta en

estos todas las superficies de intercambio, el

es

de

255

precalentador de aire ( Iado gases),

chimenea.

eI filtro 1a

Las pérdidas aerodinámicas por el lado de los gases se

sobrellevan por medio del ventilador de tiro inducido.

El conducto de gases y el conducto de aire se unen efi una

forma consecutiva (uno después del otro), a esta unión Se

le conoce como conducto aire-gases.

El paso de un conducto a otro se teaLiza en el lugar de

salida de Ia mezcla aire-combustible caliente, €s decir

desde Ia salida de los quemadores hacia el hogar de la

caldera.

El esquema de conducto aire-gases se representa

principalmente en la Figura 76. En este esquema el aire

se transporta por medio de los ventiladores y todo e1

conducto de aire.

El trayecto ventilador-quemadores se encontrará a una

presión mayor que la atmosférica, los productos de la

combustión se expulsan de la caldera por medio del tiro

inducido de tal manera que todo el hogar y todos los

conductos de gases Se encuentren con un vacío relativamente

pequeño. A este esquema se Ie eonoce como esquema de tiro

inducido.

256

RELACIO¡I| DE PARTES:

ll. llollnoeC. Galdsr¿

F. Flltro

FIGURA 76.

l. A|?c prlmallo

ll. Alrc aocund¡rlo

PA PrccNlcntadot dc alro

Vl. Vcntll¡dor dc tlro Inducldo

VF. Vcntll¡dor dc tlro forzrdo

Esquema de Tiro Equilibrado de Una Plantaque Trabaja con Carbón Pulverizado.

El transporte del aire hast.a el hogar y los productos de Ia

combustión hasta la salida hacia la atmósfera se puede

reaLizar también con ventiladores especiales de mayor

presión. En este caso, el hogar y el conducto de gases se

encontrarán con una determinada sobrepresión, o sea bajo

presión manométrica, y generalmente se puede prescindir del

tiro (Véase Figura 77). Para mayor aclaración la Figura

78, ilustra la distribución de presión en todo el conducto

gas-aire ¡ ya sea trabajando con tiro equilibrado o con

sobrepresión.

257

FIGURA 77. Esquema de CalderaTrabaja con Gas y Fuel

RELACIO¡{ DE PARTES:

G. Grltora

PA Prccalent¡dor dr alrc

VF. Vontll¡dor d0 tlro fotzrdo

con Sobrepresión queoi1.

KPa.

7

6

5

4

3

2

1

RELACION DE PARTES: a. caldcra con sobrupre¡lón; b. Caldcrr con tlro squlllbrado: l.Ye¡tllaior dt tlro forzado; 2. Procalantador do al?o lado alre; 3. Quomartor; ¿1. Caldora;5. Procalantedor ds alru la.lo gasos; 6. Vontllarlor dG tlro Inducldo; Z. ChlmcnEa.

Distribución de Presión en el Conducto Aire-Gases.

zoant¡¡Eo.t¡¡Gooo

FIGURA 78.

2s8

El gráfico de la Figura 78, es bastante explícito, en éI

se pueden observar algunas cosas como por ejemplo: la

presión por la línea (b); se trabaja con sobrepresión

prácticamente hasta la entrada a los quemadores de 1a

caldera, a partir de estos, s€ trabaja con presiones

negativas.

Cuando se llega al tiro inducido se produce un incremento

bastante grande en la presión, pero aún se sigue con

presiones negativas. El resto de presión necesaría para

expulsar los gases al medio ambiente a la presión

atmosférica, la aporta la chimenea.

Cuando se trabaja por la línea (a), casi toda la caldera

trabaja con presiones positivas, desde que la toma del tiro

forzado hasta casi la salida del precalentador de aire del

lado de los gases; prácticamente todo el sistema trabaja

con el ventilador de tiro forzado, por último 1o ayuda

también Ia chimenea a salir al medio ambiente.

Cuando se trabaja con sobrepresión, o sea cuando todas las

presiones son llevadas o tomadas por un solo ventilador,generalmenté se disminuyen los gastos en cuanto a energía,

al igual que disminuyen las pérdidas con los gases de

salida, pero también esto está relacionado con una

construcción bastante compleja de toda la caldera, 1o que

implica una caldera bastante hermética desde el punto de

2s9

vista de 1os gases,

al medio ambiente.

para evitar la fuga de gases tóxicos

Realizada la descripción de los tipos de conductos (aire-gases ) , de sus equipos y los diferentes sistemas ( tíroequilibrado y con sobrepresión), se estudiaran a

continuación las bases para el cálculo aerodinámico del

condueto.

9. 1. CALCULO AERODINAII'IICO

Se lleva a cabo con el fin principalmente de determinar laresistencia aerodinámica del conducto de aire y gases, y

por último con el fin de escoger los ventiladores de tiroinducido y tiro forzado.

Los datos que se deben tener en cuenta. para el cálculo

aerodinámico se toman del cálculo térmieo de La caldera

para una carga nominal, como por ejemplo, el flujo de gases

de combustión, el flujo de aj-re, temperatura y velocidad

del aire de los productos de la combustión y las

características geométricas de las superficies de

intercambio y de los conductos de gases que están por fuera

de La caldera ( los que van desde la salida de la caldera

hasta la chimenea).

del conducto aire-gases se compone de: las

260

resistencias por fricción de las partes rectas o de los

canales rectos representados como dpTR y de las resistencias

por accesorios relacionadas principalmente con los'cambios

de desviación, cambio en las formas de los canales (dpt);

también se puede incluir en estas pérdidas por accesorios,

las pérdidas que producen al pasar los gases por entre las

tuberías de las superficies de intercambio que generalmente

son pérdidas más. grandes.

La resistencia o pérdidas por fricción se puede calcular

mediante la fórmula:

Las pérdidas por accesorios se

fórmula:

L,P" = (Pn

(e.1)

pueden calcular por 1a

(e.2)

Apw = ,*rn

Cabe anotar que

ecuaciones (9.1)

fórmula:

1a presión dinámica

y (9.2), se determinan

que entra en las

según la siguiente

P^= # (e.3)

por friccióno libros de

Coeficiente de resistencia(encuéntrase en catá1ogosMecániea de Fluidos).

Donde t

26L

L Longitud de la parte del canal a analizar,metros

Coeficiente de resistencia(encuentrase en Catálogos) .

Densidad del aire o gas a

media de acuerdq a laestudie., en Kg/m'.

por accesorios,

una temperaturasección que se

Velocidad del aire, €r m/s, en la mismasección a la cual se refieren loscoeficientes últimamente nombrados.

EI coeficíente de resisteneia por fricción, depende

principalmente de 1a multiplicación de la velocidad por e1

diámetro por el cual pasa eI gas.

Para superficies relativamente lisas, como por ejemplo,

conductos de gases metálicos o de tubos, €1 coeficiente

( t ) se puede determinar con una relación bastante

aproximada:

|.= (9 . 4',)

Donde A:

A4-{w ae

Coeficiente queencaje del aire

depende de la(Véase Tabla

temperatura de13).

Cuando se tienen superficies con demasiada fricción, pot

ejemplo conductos con recubrimi-ento de cemento, ladri11o,

etc., €s necesario introducir un factor de corrección de

tal manera que aumente el valor de t

TABLA 13. Valores delTemperatura

Coeficientede Encaje del

262

A Dependiendo de IaAire.

tr"C0

A 0.019

400 600 800 1000

o.027 0.031 0.034 0.036Fuente: ASME. " Flue and Exhaust Gas Analysis, 1986.

Sin embargo, la principal resistencia aI movimiento de los

gases surge debido a las superficies de intercambio

(economizador, recalentador de aire, recalentador de vapor,

etc.) que están distribuidos en el conducto de gases. Sí

los tubos están distribuidos en forma de corredor, €1

coeficiente de resistencia se determina por medio de la

siguiente fórmula:

200

0.o24

}t = (oZz

Si la distribución no es por el

intercalado, se emplea la fórmula:

Donde C"v (L

(e.s)

corredor sino que es

(=(L(2"+7¡ (e.6)

Coeficientes para resistencia para una

sola fita de tubos de fricción encorredor inteicalado ( todas estas cifrasse püeden ver en libros de Transferenciade Calor o Mecánica de Fluidos ) .

Número de filas de tubos con respectoa la dirección del paso de gases o deaire.

22:

263

EI conducto

intercambio

aerodinámica

chimenea ) .

de gases además

de la caldera.

(filtros, conductos

de las superficies de

tiene una resistencia

de gases externos y 1a

Por el lado de aire además de

precalentador de aíre hay que

resisteneia de los quemadores, de

frío y caliente.

las resistencias de1

tener en cuenta lalos conductos de aire

Cuando se esté haciendo el diseño de la caldera, s€ debe

elegir la temperatura óptima de movimiento de los gases.

La velocidad debe ser mayor entre menor sea el costo de

KI/rI/h de energía en la región de la Planta.

En caso de que las superficies de intercambio sean caras al

igual que los conductos de gases de aire, s€ deben tomar

medidas para disminuir la velocidad en el conducto de

gases, para evitar condiciones de erosión, abrasión o al

contrario que sean simplemente cenizas que se adhieren a

las superficies.

Para la disminución del flujo de energía que se gasta en el

transporte de1 aire y de los gases, gran signifieado tiene

Ia elaboración personal de todos los elementos. Es

neeesario distribuirlos de ta1 manera que las pérdidas por

accesorios sean mínimas.

La

de

Figura 79, ilustra

algunos elementos.

algunas recomendaciones de

264

esquemas

FIGURA 79. RecomendacionesElementos.

de Esquemas de Algunos

En cuanto a 1a densidad del medio de trabajo (aire o gas),

es claro que debido a 1as altas temperaturas, esta

seguramente será menor que la densidad del medio ambiente,

26s

debido a esto surgen fuerzas que tratan de lIevar los gases

hacia arriba a esto se le llama auto tiro.

Para los conductos de gases en los cuales el movimiento de1

flujo está dirigido hacia a.rriba, €l auto tiro posibilita

la ayuda al movimiento del flujo de gases y por edta razón

se disminuye su resistencia aerodinámica.

Para los conductos dg gases con movimiento de flujo hacia

abajo" al contrario del anterior, s€ le debe sumar la

resistencia aerodinámica.

El auto tiro L,hc (en Pascales) a la temperatura del aire

de zO"C en cualquier conducto de aire o gases, s€ puede

determinar por la fórmula:

Alrc = t9.8¡f (1-.2-pl (9 .7',)

273 (e.B)P =Po 213 +v

Donde H Diferencia de altura de la sección acalcular, €[ metros.Densidad del medio que pasa por dentro delcanal, €fl Kg/*3.

Densidad tomada en condiciones normales (a760 mm de mercurio) det aire o de los gasesen Kglm".Temperatura media de los gases o del aire aestudiar.

Po

Lo anterior no es

condiciones normales

266

más que pasar de densidades en

a densidades en condiciones reales.

La sumatoria de resistencias de todo eI conducto de gases

con tiro equilibrado en Pasca1es, desde la salida de lachimenea, S€ puede ealcular por medio de la fórmula:

LH, = h(+L'nt -Ailc

Donde h"T :

^H|

Ahc

Por el lado

determina por

Donde^H'"

Ahc

(e.e)

Vacío a la salida del hogar, normalmente esde 20 Pascales.

Sumatoria de todos los elementos en elconducto de gases de Ia caldera y de losconductos de gases externos hasta lachimenea, €D Pascales.

Sumatoria de los auto tiros del conductosgases incluyendo el tiro de la chimenea,Pascales.

de

en

de aire la resistencia

medio de la fórmula:

AH" = ^HL-aác-

(h(+s.srt]l

Sumatoria de laselementos deIPascales.

aerodinámica se

( e.10 )

resistencias de todos

conducto de aire,losen

Sumatoria de autotirosaire, €[ Pasca1es.

del conductos de

Hr : Diferencia de alturas entre la salida de

267

los gases del hogarentrada del aire aquemadores, en metros.

la caldera y lacaldera por los

de aire en el hogar yde pr.eparación de

de1a

Para calderas que trabajan con sobrepresiones (presiones

positivas) las resistencias de todo conducto de gases y de

aire se sumanr s€ puede calcülar mediante la siguiente

ecuación:

AH = afir+aftB-g .síl ( e. 11)

Después de haber calculado todas las pérdidas de presión en

los conductos, es necesario calcular el caudal tanto de

aire como de gases suministrado por el tiro inducido y el

tiro forzado. Para el ventilador de tiro forzado el caudal

en m'/s se puede calcular por la fórmula:

Q,=FtB"rtVo(o.n+Ad¡ +Au,to.r-Aco) [ (C". t+2'lg) /273] 1. Ot(l}sl /hb( e.12 )

Donde F, Coeficiente de reserva de alimentación.

gh

anL."

ta.f

Coeficiente de exceso

en el dispositivocombustíb1e.

Escape

aire.Temperatura del aireventilador, €fl "C.

de aire desde el precalentador de

frío. que entra en el

268

hb: Presión barométrica del aire, €tr Pascales.

Anr, Infiltración de aire en el hogar.

Aap Infiltración de aire en el dispositivo de

preparación de combustible.

Con todos los. anteriores datos se calcula Ia potencia del

ventilador en Ktü, o sea teniendo ya calculada la altura de

presión del ventilador, €1 rendimiento del ventilador, €1

caudal y la reserva Fz , la cual se puede calcular según

la fórmula de potencia:

.ñf'= (pzQvVv/q')100

Para el tiro inducido,

siguiente fórmula:

(e.13)

también se puede calcular según la

Q""=FrB"",lVf + (c""-1 I v"l "^"riT3

Caudal de gases aspirado.

Flujo de combustible.

Coeficiente de exceso de

1.01(105) ( 9.l-4 )

aire aspirado.

hb

Donde Q*

B

ú""

d,

vas

Volumen teórico de loso productos decombustión completa, €D m'./Kg).

Temperatura de los gases aspirados, en oC.

1a

269

También se puede calcular la potencia de1

la fórmula siguiente:

tiro inducido con

(e.ls)I\[as = (.pz2rsr^r/r¡!") roo

Donde Hr, : Carga de presión completa calculada delaspirador de humo o ventilador de tiroinducido, €D KPa.

Rendimiento de explotación del aspirador de

humo, en %.

n:"

Es necesario dar algunas recomendaciones sobre los tipos de

ventiladores que utiLízan muchas veces cuando las calderas

son relativamente pequeñas r s€ puede prescindir del

ventilador de tiro inducido y se pueden evacuar los gases

simplemente con el auto tiro que origina Ia altura de la

chimenea.

Se pueden util-izar diferentes tipos de ventiladores de una

manera general, por ejemplo, ventiladores eentrífugos, con

paletas cruzadas hacia adelante y radiales con paletas

hacia axrás, también se pueden usar ventiladores axiales.

Últimamente los ventiladores con palecas dobladas hacia

adelante se han dejado de utilízar ya que su rendimiento a

régimen normal no alcanza a aumentar de 65Y" a 7O%, por eso

se están utilizando más las paletas curvadas hacia at1.ás y

los ventiladores axiales, los cuales tienen un rendimiento

cercano del 82% aL 87%.

270

En la mayoría de las veces en los ventiladores, no se puede

decir que trabajan siempre con cargas parciales bajas o con

alta presión. Se deben tomar coeficientes de reserva,

asumir buenos sistemas de regulación para que el ventilador

trabaje relativamente bien en casi todas las cargas.

Cuando se disminuye el flujo de aire o de los gases de

combustión disminuye la resistencia aerodinámica por todo

el trayecto, esto se puede calcular según la ecuación de

relación:

Hz = Ht(Qz/QLl2 ( e.16 )

También disminuye Ia potencia teórica par el transporte de

los gases segrin Ia ecuación:

w, = wt(er/e)3

En estas formulas Ql, H, I,ü, son respectivamente el caudal

(m'/s), 1a presión en Pascales, la potencia en Kilowatios

en el régimen de diseño y QZ, HZ WZ significan 1o mismo pero

a cargas bajas. Para la disminución de la catga, muchas

veces se utiliza una turbina de vapor que generalmente

presenta una regulación bastante buena y uniforme.


y de los gases de combustión

equilibrado.

( e.17 )

circulación del aireun fogón de tiro

de

en

I

Chiñ!¡r¡

271

80.

Vrnlil¡dor dr llroIndúcld¡.--*- _ Tnt¡gorl¡dor dr

Circulación del AireCombustión en un Fogón

Y:ntihdor lc . llmloz¡do

y de los Gases dede Tiro Equilibrado.

FIGURA

272

Sin embargo, el método principal para regular Ia producción

de los ventiladores, tanto de tiro inducido como tiroforzado que tienen mando eléctrico se real-i-za con toberas

o paletas direccionales, las cuales se colocan en el tubo

de entrada del ventilador. Estas no son más que un

conjunto de paletas que están antes del eje de trabajo. A

estas se les puede cambiar su ángulo y de esta manera

aumentar o disminuir el flujo de aire y con ello cambiar

las R.P.M.. Este método generalmente se aconseja para

ventiladores axiales, para ventiladores de tipo centrífugogeneralmente se combina este sistema con motores

asincrónicos de dos velocidades.

10. BASES PARA EL DISEÑO TERITIICO EN CALDERAS

El cálculo térmico de calderas tiene como aplicación: el

cálculo de construcción y el cálculo de rediseño o prueba,

tienen el mismo método de cálculo diferenciándose en sus

objetivos y en las cantidades a determinar.

EI cálculo constructivo tiene como fin principal

determinar: las medidas del hogar, las superficies de

convección que proporcionen un rendimiento asumido de la

caldera, nuevas producciones de vapor con unos parámetros

dados de temperatura del agva de alimentación con un

combustible específico.

Como resultado del cálculo constructivo térmico se logran

las medidas de todas las superficies de calentamiento,

posterS-ormente se hacen los diseños constructivos, s€

determina el número de tubos que conforman la superficie de

medidas correspondientes etc. Para eada superficie de lacaldera es conocida la cantidad de vapor que recibe, Ia

temperatura del medio de trabajo y de los gases a laentrada y la salida de cada superficie.

274

El cálculo de rediseño o de prueba se hace con una caldera

ya existente o proyectada desde e1 punto de vista

reconstructivo, y tiene como fin determinar las fronteras

entre las diferentes superficies de intercambio: para un

combustible específico, para las temperaturas del medio de

,trabajo, del aire y de los productos de combustión. El

cálculo de rediseño se hace cambiando las temperaturas: del

agua de alimentación inicial, La del vapor recalentado o

cambiarle el combustible a la caldera etc.

El cálculo de prueba generalmente se hace con el fin de

determinar características térmicas en la caldera cuando

esta trabaja con eargas intermedias o variables. Con base

aI cálculo de prueba se pueden tomar valores de economía o

rendimiento de la caldera, de su confiabilidad y se pueden

dar recomendaciones para su recoristrucción; también se

reciben datos que pueden servir más adelante para los

cáIculos hidráulicos, aerodinámicos y de resistencia.

El cálculo térmieo constructivo se teaLíza con base a los

datos conocidos según el proyecto se deben incluir los

siguientes datos: el tipo de La caldera ( si es de

circulación natural o circulación directa); su firma o la

marcai La producción de vapor nominal de diseño; los

parámetros de vapor recalentado tanto del vapor inicial

como del vapor de recalentamiento intermedio si 1o hay;

lugar de procedencia y marca del combustible; método de

275

quema del combustible solido, con extracción de cenizas

sólidas o 1íquidas; temperatura del agua de alimentación

que entra a la caldera después del ciclo regenerativo etc.

Además de estos datos pueden necesitarse otras

características como el valor de la purga continua, la

fracción de la circulación de gases y aire de la caldera,

el tramo de la caldera bajo presión o bajo vacío en el

conducto de gases y otros. El orden es común para el

cálculo de calderas con circulación directa y de calderas

con circulación natural.

A1 cálculo de la superficie de calentamiento le anteceden

los cálculos terqotécnicos para un combustible específico,

para esto se deben seguir los siguientes pasos:

Determinar los volúmenes teóricos y reales del aire y de

los productos de eombustión en el hogarr €o los

conductos de gases teniendo en cuenta el exceso de airey los coeficientes de succión de aire en cada región de

acuerdo a la construcción de la caldera.

ReaLizar una tabla

combustión y del

calentamiento.

de entalpías de los productos

aire para las superficies

de

de

Establecer las perdidas térmicas eZ, 93, e4, 95, gó, que

276

son respectivamente las perdidas de calor con los gases

de escape; las pérdidas de calor por combustión química

incompleta; las pérdidas de calor por combustión

mecánica incompleta; las pérdidas de calor por las

paredes y los eonductos del hogar y las pérdidas de

calor con la escoria.

Calcular e1

combustible.

rendimiento de la caldera y el flujo de

Escoger las secciones deI hogar para determinar su

tensión térmica en unidades de Mtrl/mz, con una

temperatura pre-establecida a la salida del hogar se

determina la supe.rficie total de intercambio de las

paredes o pantallas de radiación.

Para calcular eI hogar deben ser conoeidas las medidas de

Ia superficie del recalentador de vapor por radiación y

convección, por eso el cáleulo de esa superficie se hace

con método de prueba para los recalentadores de vapor, para

ambas superficies; luego se determina la cantidad de calor

recibido por radiación directa desde la caldera y además el

calor recibido como resultado del intercambi-o térmico de

las superficies con los gases en las partes intermedias de

estas, de tal manera que el calor que reciben estas

superficies será igual a la cantidad por radiación más Ia

cantidad por convección, luego se determina la temperatura

277

de los produetos de combustión después de ellas.

El calor que queda de los productos de combustión después

de que fueron utilizados en el hogar y en las primeras

superficies de intercambio por radiación, se distribuye

entre las superficies de intercambio por convección ya sea

que calienten agua, vapor o aire.

Para las superficies de intercambio por convección se

cumple el cálculo constructivo:

El calor se distribuye entre aquellas superficies para Ias

cuales son conocidos los parámetros de entrada y de salida

de1 medio de trabajo o sea del vapor o del agrJa, estas

superficies son el recalentador de vapor principal y elrecalentador de vapor intermedio, para estos primeros se

determina la cantidad de calor recibida por el medio de

trabajo y encontrándose luego Ia entalpía y la temperatura

de los gases después de cada superficie.

En las calderas de tipo de domo o de circulación natural,la distribución del calor se hace en el economizador, para

el cual no se dan los parámetros de entrada al domo,

utilizando la ecuación de balance térmico de la caldera de

la eual se obtiene que el calor recibido por eleconomizador es igual:

278

Q"" = Q{lcat - (Qra¿.n + Qr"r.u + Qr.ú + Qr.rr.") (1 - 0.01q'o) (10.1)

Donde Qr. : Calor en eI economizador; Q¡ escalorífico inferior

eI poder

ncai :

Qrad.h :

Qrrr. , :

Qr.rí :

Qr,u., :

94:

Rendimiento de Ta caldera.

Calor recibido por radiación.

Calor recibido por los recalentadores devapor.

Calor recibido por el recalentador intermedio.

Calor recibido por los recalentadores deconvección.

Pérdida térmica por combustión ineompleta,

En esta fdrmula se utiliza la ecuación de balance térmico

en la caldera de la que se deduce la cantidad de calor

recibida por el economizador.

EI calor recibido en eI precalentador de aire esta incluido

en el calor que desprende el hogar y por eso no entr:a

directamente en el balance térmico de las superficies de

intercambio.

EI calor que recibe el precalentador de aire se determina

por la cantidad de calor que obtiene eI aire de los

productos de combustión, los que posteriormente se enfrían

hasta La temperatura de los gases de salida.

279

10.1. CALCULO DE PRUEBA O REDISEÑO DE CALDERAS

Para estos cálculos no se conoce la temperatura de los

gases a la salida de la ealdera y por consiguiente no se

pueden determinar las perdidas e2, por 1o tanto no es

posible determinar al inicio el rendimiento de Ia calderay eI flujo del conbustible. Sin los datos anteriores no es

posible reaLizar eI cálculo del hogar de la caldera y de

las superficies de intercambío por convección, por eso es

necesario suponer valores de temperatura de los gases de

salida y del vapor recalentado, con esto se puede ealculareI rendimiento de la caldera y el flujo de combustible,

asumiendo además la temperatura de1 aire caliente se puede

seguir el cálcuIo del hogar y de todas las demás

superficies.

El objetivo principal del cálculo del hogar es determinar

Ia temperatura real de los productos de combustión a lasalida del mismo, este cá1culo se hace asumiendo una

temperatura que se verifieará posteriormente. Si al hacer

los cálculos se encuentran diferencias se repiten asumiendo

una nueva temperatura de los gases a La salida del hogar.

Las superficies por convección se calculan teniendo 1a

temperatura y la entalpía de los gases a la entrada de lasuperficie y conociendo una de las entalpías del medio de

trabajo ya sea a la entrada o a la salida de la superficie

280

por convección por ejemplo la temperatura y la presión del

vapor a la salida del reealentador de vapor, de esta manera

eonocidos dos de cuatro parámetros a buscar, eI cáIculo de

cada una de las superficies se reaLíza bajo el método de

aproximaciones consecutivas asumiendo con anterioridad el

calor que suministra o que recibe el medio de trabajo, y

comparándolo con el valor que transfieren las superficies

de intercambio; por ejemplo, en el precalentador de aire es

conocida la temperatura de los gases a la entrada de el, Ia

que es igual a la temperatura de los gases a La salida del

economizador, conociendo el calor transmitido en el

precalentador de aire se puede determinat La temperatura de

los gases a la salida de la caldera, calculado este valor

1o compramos con el asumido en el comienzo cálculo.

Todo cálculo se considera rea]-ízado de una manera correcta

si Ia temperatura asumida y La temperatura obtenida de los

cálculos, o sea la temperatura de los gases de salida no se

diferencia en más de 10'C, y si el valor del aire caliente

no se diferencia en más de 40'C; en caso contrario todo el

cálculo se debe repetir para un nuevo valor de temperatura.

La desventaja es que es preciso repetir el cálculo de cada

superficie muchas veees hasCa que haya igualdad en eI

balance térmico o hasta lograr igualdad en e1 calor que

desprenden los gases y el calor que reciben las superficies

de intercambio.

28L

10.2. CATCULO DEL HOGAR

Después de haber obtenido eI flujo de combustible

provisional con eI que trabajara la ealdera se inicia el

cáIculo de Ia transferencia de calor en el hogar.

La transfereneia de ealor a las pantallas de radiación del

hogar se determina principalmente por Ia transferencia de

ealor entre los gases, eü€ se encuentran a altas

temperaturas, y las superficies externas de las tuberías,

generalmente cubiertas por una capa delgada de suciedad.

En los hogares que tienen forma de prisma, en los cuales Ia

llama se dirige hacia arriba, Ta xransferencia de ealor por

convección se puede despreciar ya que Ia velocidad de los

gases sobre las paredes es muy pequeña, además la capa de

suciedad sobre estas hace que la resistencia térmica sea

mayor.

En los hogares con movimiento cíclico de la 1lama,

componente de Ia transferencia de calor por convección

mucho más grande y por eso es necesario considerarla.

La transferencia de calor por radiación se caracteríza por

la diferencia de temperaturas al cuarto grado, siendo esta

muy alta entre las pantallas de radiaeión y los gases de

1a

ES

combustión. El calor suministrado (QsuB), depende de la

282

temperatura de la llama al cuarto grado en grados Kelvin.

Las capas de suciedad de los tubos tienen una aLta

temperatura, las que irradian parte de su calor al volumen

del hogar, denominado calor inverso (Qinr).

El calor recj-bido por el medio de trabajo por radiación es

el resultado de la diferencia entre el calor suministrado

y eI calor inverso. For 1o tanto también será proporcional

a Ia diferencia de temperaturas absolutas al cuatro de la

llama menos la de La capa de suciedad.

Para una gran cantidad de hogares de calderas eI flujo de

calor suministrado desde el núcleo de la 1lama a las

superficies de radiación (Qsur) esta entre 400 y 700 Khlr/m2.

Cuando 1a capa de suciedad es relativamente pequeña,

origina una diferencia de temperaturas AT que es igual a

la temperatura de la capa de suciedad menos la temperatura

de la pared de la tubería, con un valor de 150'C a 350oC,

como se puede apreciar 1a temperatura de la capa de

suciedad es mucho mayor que la temperatura de la pared.

Investigaciones demostraron

radiación entre los gases y

depende de la presión ni de

trabajo en la caldera. Esto

que la intensidad de 1a

las pantallas de radiación no

la temperatura del medio de

permite hacer los cáIculos de

283

transferencia de calor por radiación independientemente de

la presión de trabajo de la caldera.

A Ia relación entre el calor por radiación y el calor

suministrado, calor recibido por las superficies de

radiación, se Ie llama coeficiente de efectividad térmica

de las pantallas de radiación es igual a:

ú =Qr^¿/ qsum ( 10.2 )

Entre mayor sea el valor de este coeficiente, mayor será

efectividad de trabajo de las pantallas de radiación,

decir mayor parte de calor será recibido por ellas.

Las cifras de este coeficiente, tomadas de investigaciones

sobre hogares de calderas r son bastante estables;

dependiendo del tipo de combustible pueden considerarse

así: para combustibles sólidos entre 0.4 y 0.45; para

combustibles líquidos entre 0.5 y 0.55; y 0.65 para gas

nat,ural. Es importante anotar que este coeficiente varia

también con la altura de la cámara de1 hogarr €s mayor en

la zor:a del núcleo de Ia llama y disminuye a medida que se

acerquen los gases a Ia salida del hogar.

Para pantallas de radiación revestidas con aislamiento eI

coeficiente de efectividad esta entre 0.2 y 0.25 y para las

mismas pantallas de radiación pero ya cetradas con una capa

1a

ES

284

de ladrillo el valor ES aproximadamente 0.1.

La dependencia entre

radiación y el calor

del hogar se muestra

el calor recibido

inverso (Qinr) con

en la Figura 8l-.

por las pantallas de

respecto a la altura

HT

GASES

FIGURA 81. Dependencia entre el Calor Recibido porRadiación y el Calor Inverso.

La parte de calor ganada por la superficie de intercambio

de las pantallas de radiación se determina por x, el,t

coeficiente angular de la pantalla. -'i

En Ia Figura 82, se nota que solo una parte del calor

que llega a las pantallas de radiación depende del ángulo s

28s

y de la separación entre tubos, €s decir que cae una parte

entre las pantallas de radiación, choca con eI aislamiento

y se vuelve con un determinado ángulo ü ; o sea que entre

más cercanos estén los tubos unos de otros y entre menor

sea el paso relativo o (distancia entre centros de los

tubos dividida entre eI diámetro), menor será el ángulo

alfa 1o cuar significa que mayor parte del flujo de carores ganado por las superficies de radiación (las pantallas

de radicación).

l-".ltInfluenciaentre TubosPantallas de

!i-

¡I

;tÍ

del Angulo uen el Calor

Radiación.

y Ia Distanciaque Llega a las

FIGURA 82.

286

En la Figura 83, se aprecia 1o anterior. Cuando eI paso

rela.tivo eS normal aproximadamente a 1.1, el coeficiente

angular eS aproximadamente 0.99 y teóricamente cuando están

bien pegados e1 coeficiente es igual a 1.

o.88

- -/77 /./ /,/ 77 / / 7T-/7777

\

l.O ,.1 ,-2 1.3 1.4 1.5 1.8 sld

FIGURA 83. Influencia del Angulo a y la SeparaciónEntre Tubos en el Calor de Radiación.

La relación E es igual a la temperatura de la capa sucia

sobre la temperatura de llama elevada a la cuarta potencia.

EI coeficiente condicional de suciedad de las pantalla de

radiación es:

E = $it-4."1 / Tlt = t- (T".,/ Trr\ 4 ( 10.3 )

T

t.o

x

o.98

o.#

o-g

a.92

o.90

Donde to¡

,0r,,

287

Temperatura de la llama en grados Kelvin.

Temperatura de Ia capa sucia en grados Kelvin.

Dado que la temperatura de suciedad es mayor que cero, este

coeficiente siempre es menor que 1 y será mucho menor entre

mayor sea Ia temperatura de la capa de suciedad, €s decir

entre mayor sea la resistencia térmica.

La cantidad Tott "0r.,

determina el flujo de calor por

radiación QL que llega a Ia tuberÍa, de aquí se concluye

que el coeficiente condieional de suciedad determína Iaparte de radiación utilizada o recibida por eI medio de

trabajo en Ia tubería, entre mayor sea La eapa de suciedad

mayor será Ia temperatura de la misma y menor será parte de

eaLor recibida por el medio de trabajo, en este caso por elagua.

Otra forma para determinar el coeficiente de efectividad

térmica es con el producto entre el coeficiente angular x

y el coeficiente condicional de suciedad.

ü =xE ( 10.4 )

EI coeficiente E "" un poco mayor que eI coeficiente de

efectividad térmica,ya que no considera esa pequeña parte

de calor de radiación que cae en el aislamiento de las

paredes del hogar.

288

Para el cálculo del hogar de

concepto de superficie receptora

calderas se usa elcalor por radiación:

las

de

S, = x Ar^o (10.s)

El área o superficie receptora de calor por radiación, Sr

en R2, no es una pared que tiene Ia temperatura, el grado

de suciedad y el coeficiente de radiación iguales a los de

las pantallas de radiación, esta es la parte efectiva de

recepción de calor de las pantallas de radiación.

11. SISTEI{AS DE REGULACION EN CALDERAS

La caldera como esquema de control constituye

dinámico con muchas señales de entrada

interrelacionadas .

un

v

sistema

salida

Sin embar.go, s€ pueden establecer algunos canales

importantes tendientes a mantener estables las variables a

regular. Esos principales canales pueden ser: flujo masicoa.de agua (rúagüa), flujo masico de inyección, nivel en el domo

(H) y temperatura de vapor recalentado, flujo masico de

combustib,le, flujo de gases, flujo de aire' flujo de purga,

tiro, y otras (Véase Figura 84).

Las acciones reguladoras de un canal (línea llena) es la

principal forma de estabj-Lízar la variable a regular y las

otras acciones (Iínea cortada) se consideran en relación

con las anteriores con excitaciones. Las 1íneas de

excitación influyen de una manera mucho menor.

En términos generales puede decirse que en todo mando de

combustión, el vapor, €1 agua, €1 combustible, el aire y

iiiñ¡¡¿ Áutonoma de occidcntc

SLCCION BIBLIOIE.CA

290

los humos deberán regularse de acuerdo con la demanda de

éarga y ser debidamente coordinados. El punto más

i.nteresante es que la presión de vapor deberá mantenerse

constante en todas las fluctuaciones de carga. También es

de suma importancia económica el que se suministre 1a

cantidad de aire adecuada por unidad de combustible quemado

en el hogar. Las restantes graduaciones son más bien un

refinamiento de la regulación.

ACCION REGULADORA UANABLE A RECULAN

Flujo de Gases ----¡ liro

Fluio de Aire .+Oxígeno

Flujo de Combustibte +Flujo de Vapor

,-'Fluio de vapor (Domo) é-i '::^":?:.vaPor'- - ----' 'o- .. Recalgntado

\\\Flilo de Inqcción tl, ''

,, Temperatura Vaporde Agua Fría r r--F Recalentado

1\ /t \z

Ti¡o z--i-t Fluio de Ai¡e y Gases

,, \\Flujo de Agua de ,' t,

l¡ ñfirrel en el Domo t+Alimentación

: (superior)

Fluio de Purga c,^oncentatción de saleepudza¡ en el Agw

PrincipalesVariables.

FIGURA 84. Canales de Regulación de

29L

11.1. REGULACION DE tA PRESION DE VAPOR

Puesto que la presión de vapor ha de mantenerse constante,

muchos de los reguladores de combustión comercialmente

usados , se basan en las variaciones de Ia presión o flujo

de vapor. Es evidente que para una sección dada de

tubería, uo aumento del consumo de vapor provocará mayor

caída de presión debido a los rozamientos, de manera que la

presión del vapor és, después de todo, la principal

variable.

Para un trayecto dado de tubería o parte de la propia

caldera, por ejenplo, €1 recalentador desde su acometida

de vapor saturado en el cuerpo de la caldera hasta la

salida, los datos experimentales demuestran que la caída de

presión varía proporcionalmente en razór^ directa con eI

cuadrado del flujo o gasto de vapor. Por esta razón, es de

suma importancia la situación del punto testigo de Ia

regulación, si se sigue la teoría del mantenimiento de lapresión constante. Se acostumbra a tomar un punto del

colector principal que actúa como depósito o "domo" de

vapor.

IL.2. REGUTACION DEL COT{BUSTIBLE

La regulación de

hogar según 1a

Ia cantidad

demanda de

de combustible suministrado alvapor, nunca podrá ser tan

292

exactamente medida como si fuera un fluido, porque e1

combustible sólido se introduce en muy diversos tamaños.

En general, cuanto más pequeñas son las partículas de

eombustible, tanto mejor es la regulación. Desde este

punto de vista, €1 gas y el aceite son los combustible

ideales, porque pueden medirse con bastante presión con un

simple equipo de válvulas. Luego siguen las instalaciones

centrales de polvo de carbón que efectúan la alimentación

de carbón molido a un tamaño prácticamente constante.

La instalación para polvo de carbón con molienda individual

admite variaciones en la finura resultante de la carga del

molino triturador y no €s, por tanto, tan exacta en la

nedida del combustible. La regulación del carbón

suministrado a un hogar de parrilla automática es muy

grosera en comparación con las anteriores, puesto que el

tamaño del carbón varÍa desde los trozos más pequeños hasta

los terrones más gruesos con dimensiones máximas de 2 a 5

centímetros.

11.3. REGUI.ACION DEL AIRE DE COMBUSTION

La medición de1 gasto del aire se obtiene prontamente

mediante la caída de presión en una parte dada del conducto

alimentador de aire o determinando la variación en la caída

de presión a través de una parte elegida de1 paso de los

293

gastos del hogar. Esta última varía como La raíz cuadrada

de la diferencia de las presiones entre los dos puntos de

medíción, y cierto número de fabricantes de reguladores

usan esta diferencia de presiones para la regulación de Ia

corriente de aire correcta que corresponde a una

determinada admisión de combustible.

La cantidad de ácido carbónico presente en los humos es

también función del exceso sobre el volumen teórico de airepara la combustién suministrado al hogar, y hay algunos

constructores que usan el porcentaje de CO, como referencia

para los reguladores. En hogares a presión de calderas con

ciclón que queman combustible sólido, €1 hogar se halla

sometido a presi.ón. Solo se emplea un ventilador, un

soplador y eI control de volumen se mantiene mediante

registros simplificando el sistema de control. El proceso

de combustión es más estable.

11.4. I{ETODOS Y ESQUEI.IAS DE REGULACION DE CARGA Y PRESION

DE VAPOR

Los esquemas dependen mucho del esquema de unión entre la

caldera y el' consumidor (turbina).

11.4.1. Régimen de Base. Se mantiene la misma carga de

vapor independientemente de la carga eléctrica o térmiea

del consumidor.

294

IL.4.2. Régimen de Regulación. Recibe la caldera los

cambios de carga eléctrica y térmica. En este caso lacaldera puede estar unida solo a una turbina o unida a una

tubería común (y de allí) que sirva de enlace entre varias

calderas y una turbina. La Figura 85, ilustra un esquema

bloque caldera-turbina.

--rET

RELACION DE PARTEA:

l. Rcguhdor dc flulo dc combultlblc

2. Rcgul¡dor de velodd.d dc la türblna

3. Válvulas dc regulaclón (cntrarla de y¡por en ta turblna)

4. Rogulador dc preslón

5. Slncronlz.dor de l¡ turbln¡

FIGURA 85. Bloque Caldera-Turbina.

295

11.5. REGULACION DEL VACIO (DEPRESION) EN EL HOGAR

La regulación generalmente se hace combinando Ia cantidad

de gases de salida succionados por los tiros inducidos. Se

actúa sobre las Bompers (compuertas de estrangulación,

paletas o álabes directrices ) o regulando la velocidad de

rotación (R.P.M.) (Véase Figura 86).

3

ü",,"

RELACIO}I DE PARTES:

l. Srllal do t.rc¡ 2. Rogul¡rlor do .lro

FIGURA 86. Regulación de Vacío.

¡1. Rcgül¡rlor dc ndo

REGULACION DE AGUA DE

(NrvEL DEL DOMO)

11.6. CONTROL DEL

ALII{ENTACION

SISTE}IA DE

A LA CALDERA

El parámetro que

agua que entra y

muestra ella cantidad

balance entre La

de vapor que sale

cantidad de

es el nivel

296

en el domo. El nivel debe mantenerse constante al cambiar

la car5a porque el máximo de desviación permitida es

t 100 mm. Si el nivel es muy bajo se puede dañar la

circulación natural, s€ interrumpe la alimentación y por

consiguiente el enfriamiento de los tubos ascendentes de la

caldera (pantallas de radiación) y en el peor de los casos

rompi-miento (Véase Figura B7).

NELACIO}I DE PARTEA:

H. ilodldol do nlyol

l. Domo

2. Economlzadol

3. Regulador

Esquema deRegulación deCaldera.

4. Válvule do rcgutaclón

5,0. iledldorcs dc flulo.

Control del Sistema deAgua de Alimentación a Ia

FIGURA 87.

297

Si el nivel es muy alto, los dispositivos espeeiales de

separación de vapor de gotas que se encuentran en eI domo

pierden eficiencia y puede pasar agua, sales a los

recalentadores de vapor y a la turbina.

En el instante en que se presente una diferencia de (*rroo, -magua, el nivel (H) baiará o subirá según la condición

anterior.

Es importante mantener el nivel en el domo para evitaraumentos de presión interna en é1, aunque é1 tiene unos

controles de nivel. Si hay exceso pueden dirigirse gotas

de agua a La turbina afectándola, también puede presentarse

choque térmico en las tuberías de vapor.

eI nivel está muy bajo implica que la caldera esta baja

agua.

I.a regulación del gasto de agua deberá ir íntimamente unida

a la del flujo de vapor, especialmente por tenerse que

mantener un nivel más o menos constante en Ia mayoría de

las calderas. Esto se consigue mediante el uso de

reguladores de alimentación en la tubería de agua,

precedidos a menudo de una válvula de exceso de presión.

Esta váIvula mantiene cierta diferencia de presión y crea

una corriente a través de la válvula reguladora para dar lacaracterística de gasto deseada a la válvula de1 regulador;

Si

de

298

tal exceso

la presión

va

de

desde 1.5 hasta 1.6 atmósferas y depende de

vapor en La caldera.

En La Figura 88, se muestra un esquema de regulación del

vapor recalentado.

RELACION DE PARTES:

l. Domo

2. Llnea do condcnrrdo

3. .Condonsador

FIGURA 88. Esquema

4. Condcnsado par¡ la atomlzadón 7. Roguladol

5. Enfrlador do vapor

6. Economlzadol

de Regulación del Vapor Recalentado.

L2. ARRANQUE Y PARADA DE CALDERAS

Las calderas pueden encontrarse en diferentes estados de

operación:

En funcionamiento: dando el flujo de vapor necesario de

acuerdo a parámetros establecidos.

En reserva caliente: si el tiempo de permanencia en

reserva es solamente de unas pocas horas (generalmente

nocturnas ) .

reserva fría: si el tiempo de permanencia en reserva

solamente de unos días.

En conservación: cuando está parada de una a dos semanas

y más. En este caso se toman medidas de prevención para

evitar la corrosión de las superficies.

Además la calderas puede estar en mantenimiento preventivo

uno o dos veces a1 año de 4 a LZ díasr éÍl mantenimiento

correctivo una vez cada 2 a 3 años con una duración de 20

En

es

Univer:'i''1. /rutónoma de Cccidentc

S['..)',1ÜN Bl BLIÚ ¡ iUA

300

a 40 días.

Lz.L. ARRANQUE DE rA CALDERA

Se considera el proceso de más complejidad y

responsabilidad y su carácter depende de la estructura de

la caldera, de su estado de operación (en frío, €D

caliente, etc. ), a la capacidad de su arranque y otros

factores.

Cada caldera debe tener su manual de operación donde se

encuentren los pasos a seguir, gráficas de calentamiento de

superficies con respecto al tiempo, cartas de regímenes

especiales donde se muestran todos los parámetros de

acuerdo a la carga, reajustes y recomendaciones después de

pruebas, desviación admitida de los parámetros de

operacién, graduación de negulación, etc.

A continuación solo se darán pasos generales que deben

seguirse para una buena operación de una caldera, ya que

datos específicos"se encuentran en manuales de operación de

cada caldera.

L2.L .L . Precauciones Antes del Arranque. Estas

indicaciones normalmente pueden seguirse a1 mismo tiempo

que se reaLiza la inspección general de la unidad, sin

embargo, por tratarse de un punto tan vital como la

301

seguridad, se prefiere dar una lista separada de ítemes,

que deben verificarse. Aquí se encamina al primer arranque

en su instalación definítiva pero se aplica en general para

cualquier arranque después de una parada prolongada.

L2.L. 1. 1. Generalidades.

1. Seguridad, verifique si existe una póliza de seguros

que cubra los riesgos de la puesta en marcha. Tanto si

esta es por cuenta del cliente como si 1o es por Iacompañía, asegúre,se de que esté vigente.

2. Verifique Ia existencia de 'extinguidores en las

cercanías del área de la caldera. De acuerdo con eI

tamaño de la instalación deberá existir varias

unidades. Estas deben ser preferiblemente de tipoespuma.

3. Recorrer toda la instalación, plataformas y

escaleras para comprobar que no hay obstáculos

peligrosos en caso de emergencia

4 - Asegurarse de que la iluminación de todas las áreas

importantes es adecuada y que esté en condiciones

de funcíonamiento.

5. Comprobar que se haya limitado el acceso aI área de

302

todo el personal

sistema de seguridad

no autorizad,o

adecuado.

y que existe

6. Comprobar que no existen depósitos de materiales

inflamables en la cercanía de la caldera.

I2.L.L.2. Sistema de Alimentación de Agua. Antes del

arranque se debe comprobar la presencia de aglJa en la

caldera.

Verificar e1 nivel de agua en el desaireador en el

tanque de condensado y abrir las válvulas de la línea

de este a la bomba y a la caldera.

Comprobar con los grifos de1 nivel visible en la

columna de control de nivel que sea correcto, drenar

la columna y observar La restauraeión del nivel.

Verifique el nivel de agua en el domo; de acuerdo al

medidor del nivel debe situarse en su posición

inferior, ya que al calentarse y especialmente al

eomenzar eI proceso de evaporación, €1 volumen. de agua

aumenta y puede neeesitarse incluso su drenaje. A

continuación eI arranque se hace como regla en

combustibles móviles, maniobrables, como eI fuel oil y

el gasr poniendo atención a un calentamiento uniforme

por todo 1o ancho del hogar.

1.

2.

3.

303

Antes de encender la llama se lleva a cabo Ia ventilaciónde los conductos de gases de combustión, del hogar, para locual se coloca la caldera a baja depresión de 10 a L2

minutos, yá sea por acción de la chimenea o por el tiroinducido.

El proceso de arranque se lleva en este orden: después de

encender el tiro inducido o de abrir eI tiro de lachimenea, s€ envía el aire (tiro forzado) formando en laparte superior del hogar una pequeña depresión ( 20 a 100

Pa), y solamente después de esto se bombea el combustible

y se comienza a quemar.

Por otra parte es necesario tomar medidas para .sacar el_

aire del domo, de los suDerheater y tuberías de vapor para

1o cual las trampas de aire se mantienen abiertas hasta que

surja una presión de 0.2 MPa a 0.4 MPa. Esto se hace ya

que eI aire cayendo junto con las primeras porciones de

vapor a la turbina puede bajar el vacío en el condensador.

A1 comenzar a tomar catga, el agua en el economízadot va a

calentarse y gradualmente a evaporarse para no dejar tubos

sin enfriamiento. En argunas calderas se tienen Iíneas de

tubería que unen el domo con el economizador. También en

eI arranque puede quedarse sin enfriamiento el superheater

por eso el drenaje en los corectores de sarida del mismo

(superheater) deben mantenerse abierto hasta el momento en

304

que ya se vaya a suministrar vapor a Ia turbina o al tubo

común de vapor. El vapor que se ha drenado puede ser

enviado a tanques para su condensado.

El superheater intermedio generalmente no necesita esta

clase de precáuciones ( recalentamiento de los tubos ) ' ya

que se encuentra en zo¡as no muy altas de temperatura

(menores a 800"C).

El tiempo de arranque de la caldera desde el momento de

encendido de los quemadores hasta la conexión con carga

debe establecerse experimentalmente midiendo los

desplazamientos de los detalles de Eran espesor. De esta

manera el final del proceso de arranque debe coincidir con

la fi¡aLízación del proceso de dilatación de estos

detalles. Generalmente el tiempo de arranque demora entre

0.5 a 4 horas, dependíendo del estado térmico en que se

encuentre, de la potencia y de los parámetros de 1a

caldera.

La velocidad con que se toma la carga está limitada por los

esfuerzos térmicos admisibles y es igual a 1.5 a 2'C/min de

vapor saturado o 0.3 MPa (minuto por presión). La conexión

de la caldera a la tubería común de vapor (Véase Figura

89.a), se hace después de un previo calentamiento y drenaje

de Ia misma.

305

FIGURA 89.

a)

Tubería Común: a) De

b)

Vapor b) De Bloque.

Después de hacer Ia conexión gradualmente se aumenta la' carga exigida por los consumidores.

EI arranque de1 esquema de un esquema en bloque, Figura

89.b, a diferencia del esquema de la Figura 89.a, exige

operaciones conjuntas en la caldera, tuberías de vapor y

turbina. El régimen más económico es el arranque con eIaumento gradual de los parámetros del vapor (arranque con

parámetros graduables). Por ejemplo, €1 arranque de una

caldera, 200 MI^I, la presión del vapor en el domo se aumenta

306

de 0.3 MPa en 100 a 120 minutos a L MPa en 30 a 50 minutos.

EI enfriamiento de los superheater y el calentamiento de

1as tuberías de vapor se hace hasta 0.1 a 0.2 MPa por

drenaje, y después por medio de un equipo de enfríamiento

y reducción para posteriormente enviarse al condensador

(Véase ,Figura 90).

l. Equlpo dc onfilamlcnto y roducdón de preelón

2. Válvula prlndp¡l d6 Yapol

3. 8üpcrhoatc¡ Intafmodlo

FIGURA 90.

A1 1legar

( 1-60"C a

el vapor a

180') y .una

una temperatura de

presíón de 0.6 MPa

recalentamiento

a 1.0 MPa, los

Esquema de Caldera con EquiPoEnfriamiento y Reducción de Presión.

de

RELACIOI{ DE PARTES:

307

parámetros de diseño son 560'C y 13 MPa se reaLíza elprimer volteo a la turbina hasta 500 R.P.M. a 600 R.P.M.

En general hay que tener en cuenta ciertas dificultades ya

que no todos los equipos se enfrían a la misma velocidad,

primero se enfría La caldera, después las tuberías de vapor

y por último la turbina.

L2.L.2. Falla en el Arranque. Los factores más comunes

están relacionados con fallas de1 ventilador y quemadores,

encendido y la llama.

Las soluciones deberán aparecer en el manual para cada

caldera.

I2.2. PARADA DE LA CALDERA

La descarga puede ser diferente dependiendo del tiempo que

vaya a estar parada. Las paradas más comunes son las

nocturnas, desde el punto de vista de economía del

combustible se debe tratar de mantener su estado térmico,para esto se debe desconectar gradualmente eI tiro de lachimenea. El ritmo de descarga está dado por Ia velocidad

de enfriamiento que no debe ser mayor de 1.5 a 2 "C/mín.

Al dejar de suministrar combustible a los quemadores

deja de suministrar agua de alimentación. Después

se

de

308

apagados los quemadores, los ventiladores ( tiro inducido y

tiro forzado) siguen trabajando de 10 a 12 minutos para La

ventilación del hogar de mezclas explosivas. La presión se

baja gradualmente y se envía al condensador.

12.2.I. Preparación para una Parada Larga. Muc.has

calderas que se emplea¡ para calefacción doméstiea y para

cargas que varían según las estaciones del año o que tienen

un estado auxiliar frecuentemente experimentan períodos

largos de parada. Hay que tener cuidado durante estos

períodos para evitar corrosión o deterioro de 1as

superficies del lado del agua o del lado del fogueo.

Tantas variables pueden existir q..tt,i .1" se pueden imponer

reglas específicas . ilelv dij-s TnciüsÉ"66',*tnracenaje, eI uno

sé¿o y el otro mojado. El técnico en aguas o compañí4...de

tratamiento de aguas puede "sugerir el modo preferido para

circunstancias tóeales.

El almacenaje :Sé'prefiere seco cuan'cio no se'va a usar

caldera por mueho' tiempo o cuando existe peligro

témperaturas'f,r'igoríficas. I

Según este" método hay que secar la caldera por completo

púesto que' Ia; presencia de humedad aún en cantidades

pequeñd5'? causará icoirosfdn.l

1a

de

Las

ser

309

superfícies del lado del agua y del hogar tienen que

limpiadas de toda incrustación, depósitos, ho11ín, etc.

El procedimiento para eliminar la humedad consiste en

colocar substancias que la absorban, como eI óxido de cal

(dos libras p-or cada tres pies cúbicos de volumen) o

silicagela (cinco libras por cada 30 pies cúbicos de

volumen) en cajones dentro de la caldera. Se pueden cubrirlas superficies del hogar con substancias anti-corrosivas

o con grasa. El refractario debe ser cepillado y cubiertocon una capa protectora. En cuanto a las aberturas a laeámara de presión tanto las aberturas para la mano como

para el cuerpo hay que cerrarlas apretadamente, como se

cierran las válvulas de vapor y del agua de

abastecimj-ento. El registro de aire y el respiradero deben

ser cerrados para evitar que el aire llegue a las

superficies de fogueo.

Se debe hacer una inspección periódicamente y renovar las

substancias para Ia absorción de la humedad.

EI almacenaje mojado se emplea cuando la caldera queda

preparada para neeesidades. imprevistas o cuando el otro

tipo de almacenaje sea inconveniente. Como anteriormente

se dicer €s de suma importancia tener cuidado con las

superficies metá1icas. Aunque recomendaciones específicas

son imposibles, si se sugiere que se desagüe la caldera, se

310

limpie el interior y se llene de nuevo con agua tratada

hasta que derfame'ui"r; poquito. Si los procesos para sacar

el aire de1 agua nb,' son disponibles, debe prenderse el

fogueo para hacer hervirel agua por un poco tiempo.

Es aconsejab;l'e: '; que éI consultor en aguas sugiera

substancias químfcas adicionales para reducir la corrosión

al grado mínimo. La presión interna del agua debe

mantenerse a un valor sobre el de Ia atmósfera. y a menudo

se emplea nitrógeno para este fin. También sigue siendo

preciso limpiar enteramente las superficies del fogueo y

dar una capa protectora +L r'.eF.rae(ag,ir¡*

aa

BIBLIOGRAFIA

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Elaboración de un texto teorico sobre calderas

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