UNIDAD 2: ESTUDIO GENERAL DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS.
¿QUE ES UNA CALDERA?
Una caldera de vapor es, en sentido general, un receptáculo en el cual se transfiere la energia térmica del fuego al agua, la que en posesión de la energía comunicada, es aprovechable en forma de vapor a una elevada temperatura y elevada presión para desarrollar trabajo en una máquina.
DEFINICIÓN DE CALDERA
Caldera, dispositivo utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a la atmosférica mediante un proceso de transferencia térmica. Las calderas se componen de un compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor
Una caldera es una máquina o instalación, diseñada y construida para producir vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desde pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones.
La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión, tan común en nuestros hogares.
En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como un combustible, electricidad etc. para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de ebullición del agua, pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente vacío, conocido como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el proceso en cuestión.
Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades del proceso son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera, especialmente en las grandes instalaciones industriales.
CÓMO TRABAJA
TRANSFERENCIA DE CALOR: Los productos de la combustión calientan el receptáculo (tubos de la caldera). Los tubos calientes transfieren calor al agua que circula por el interior de los mismos. La temperatura del agua es elevada al punto de ebuliición y con vertida en vapor. En algunas instalacio nes, este vapor resultante, es recalentado.
EL AGUA: Es forzada dentro de la caldera (contra la presión interior de esta última) por una bomba de alimentación. Circulada por todas las partes del receptáculo (caldera), adquiere energía térmica, y sale en forma de vapor por una válvula.
LA SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN: es la zona en la cual las llamas o los gases de la combustión están en contacto con el agua
1-con las llamas (superficie de calefacción directa)
2-con los gases de la combustión (superficie de calefacción indirecta).
Se mide del lado de los gases en m2 o en pies2.
CLASIFICACIÓNDE LASCALDERAS
Se
clasifican según diversos criterios,relacionados con la disposición de
los fluidos y su circulación,el mecanismo de transmisión de calor
dominante,aspectos estructurales,modo de intercambio de calor,la forma
del quemado del combustible, forma de alimentación del agua y otros
muchos factores.Basándonos en algunos de estos criterios las calderas
sepueden clasificar en:
TIPOS
Calderas Humotubulares o Pirotubulares
Su diseño se basa en un cuerpo o tambor de agua que es atravesado por tubos de fuego. Las variantes constructivas son extensas:verticales, horizontales, horno exterior o interior, cantidad de pasos de gases, etc.Existen además, calderas de 2 y 3 pasos con tiraje forzado
Calderas Acuotubulares
Basadas en un domo de vapor como elemento superior, del que salen y al que llegan tubos y colectores que conforman el conjunto o cuerpo que contiene el volumen del agua a calentar.
El diseño de esa estructura es una "jaula" tubular, con parrillas y tabiques, que conforman el hogar donde se quema el combustible y los pasajes de gases convectivos que direccionan el recorrido de la circulación interna de los gases de combustión antes de salir por la chimenea.
Su uso es más restringido que las humotubulares y salvo expresas condiciones de instalación, su segmento de aplicación está en los requerimientos de más de 15 a 20 tn de producción y presiones superiores a los 20/25 kg./cm².
Son generalmente más costosas que los calderas humotubulares, pero tiene la ventaja de ser más seguras ante una rotura o pinchadura de un tubo, dado su escaso volumen de agua y practicamente, no tiene límite en cuanto a producción y presión de trabajo.
Partes constitutivas de las calderas
COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA
Combustión
Combustión es la reacción química mediante la cual las sustancias combustibles reaccionan con el oxígeno, desarrollando luz, calor y en mayor o menor medida, vapor de agua.
Para que haya combustión, es necesario que exista un cuerpo que se queme llamado combustible, el oxígeno del aire que recibe el nombre de comburente y una fuente de calor que entregue la temperatura necesaria. Si uno de estos elementos falta, no puede haber combustión. Esta se denomina “Teoría del Triangulo del Fuego”. Los tres elementos deben estar en su justa proporción,formando así cada lado de un triangulo,tal como se aprecia en la figura 26.
Cabe mencionar que además de la teoría antes citada, existe otra que se denomina “Teoría del Tetraedro del Fuego”, en la cual se integra un cuarto elemento que interviene en el proceso de combustión, el que es denominado “reacción en cadena”, en donde a cada elemento le correspondería una cara del tetraedro, como se ve en la figura 27.
Ahora, si están los tres elementos, la combustión puede ser mala o incompleta si:
- El combustible es inadecuado o de mala calidad.
- El aire es poco o insuficiente.
- La temperatura es baja.
Como el aire es el que da el oxígeno necesario para la combustión, siempre debe mantenerse una adecuada relación aire-combustible para que la combustión sea correcta o completa.
En general todos los combustibles están constituidos por: carbono (C),hidrógeno (H2), azufre (S), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), humedad y cenizas.
Los distintos combustibles tienen estos elementos pero en diferentes proporciones, siendo el carbono el elemento fundamental, ya que mientras mayor sea la proporción de carbono, el combustible al quemarse genera mayor calor.
CONTROL DE UNA BUENA COMBUSTION
Hay varios factores que influyen para que una combustión se realice en buena forma. Los principales son:
- La cantidad de aire.
- El tiro.
- La temperatura del hogar.
- El estado de la instalación.
- El tiempo necesario para asegurar una buena combustión.
a) CANTIDAD DE AIRE (AIRE TEORICO-AIRE PRACTICO)
Para obtener una buena combustión, no basta disponer del aire necesario para el combustible. Es importante que cada partícula del combustible encuentre la cantidad de oxígeno que necesita para quemarse. Para ello debe existir una mezcla homogénea entre el aire y el combustible.
Nunca un combustible puede quemarse bien con el aire del cálculo teórico; es necesario "un exceso de aire". El porcentaje de este exceso de aire puede variar entre un 15% y un 40% dependiendo del tipo de combustible y del tipo de hogar.
El exceso de aire no se ocupa en la combustión, pero es necesario para asegurar el oxígeno que necesita el combustible, ya que la mezcla aire- combustible no siempre se efectúa correctamente.
Para obtener el aire necesario para una combustión completa existen dos medios:
- AIRE PRIMARIO: Que entra directamente con los combustibles líquidos o gaseosos o por debajo de las parrillas, en el caso de combustibles sólidos. Es el aire necesario para quemar completamente un combustible.
- AIRE SECUNDARIO: Que es el aire adicional o en exceso que se agrega al hogar para lograr una buena combustión.
En las calderas que queman combustibles sólidos, este aire se introduce sobre el lecho del combustible a través de la puerta del hogar o de las aberturas que éste tiene.
En calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, este aire entra por una puerta o lumbreras regulables apropiadas , incorporadas al quemador o cercanas a él.
COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA
CombustiónCombustión es la reacción química mediante la cual las sustancias combustibles reaccionan con el oxígeno, desarrollando luz, calor y en mayor o menor medida, vapor de agua.
Para que haya combustión, es necesario que exista un cuerpo que se queme llamado combustible, el oxígeno del aire que recibe el nombre de comburente y una fuente de calor que entregue la temperatura necesaria. Si uno de estos elementos falta, no puede haber combustión. Esta se denomina “Teoría del Triangulo del Fuego”. Los tres elementos deben estar en su justa proporción,formando así cada lado de un triangulo,tal como se aprecia en la figura 26.
Cabe mencionar que además de la teoría antes citada, existe otra que se denomina “Teoría del Tetraedro del Fuego”, en la cual se integra un cuarto elemento que interviene en el proceso de combustión, el que es denominado “reacción en cadena”, en donde a cada elemento le correspondería una cara del tetraedro, como se ve en la figura 27.
Ahora, si están los tres elementos, la combustión puede ser mala o incompleta si:
- El combustible es inadecuado o de mala calidad.
- El aire es poco o insuficiente.
- La temperatura es baja.
Como el aire es el que da el oxígeno necesario para la combustión, siempre debe mantenerse una adecuada relación aire-combustible para que la combustión sea correcta o completa.
En general todos los combustibles están constituidos por: carbono (C),hidrógeno (H2), azufre (S), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), humedad y cenizas.
Los distintos combustibles tienen estos elementos pero en diferentes proporciones, siendo el carbono el elemento fundamental, ya que mientras mayor sea la proporción de carbono, el combustible al quemarse genera mayor calor.
Los distintos combustibles tienen estos elementos pero en diferentes proporciones, siendo el carbono el elemento fundamental, ya que mientras mayor sea la proporción de carbono, el combustible al quemarse genera mayor calor.
CONTROL DE UNA BUENA COMBUSTION
Hay varios factores que influyen para que una combustión se realice en buena forma. Los principales son:
- La cantidad de aire.
- El tiro.
- La temperatura del hogar.
- El estado de la instalación.
- El tiempo necesario para asegurar una buena combustión.
a) CANTIDAD DE AIRE (AIRE TEORICO-AIRE PRACTICO)
Nunca un combustible puede quemarse bien con el aire del cálculo teórico; es necesario "un exceso de aire". El porcentaje de este exceso de aire puede variar entre un 15% y un 40% dependiendo del tipo de combustible y del tipo de hogar.
El exceso de aire no se ocupa en la combustión, pero es necesario para asegurar el oxígeno que necesita el combustible, ya que la mezcla aire- combustible no siempre se efectúa correctamente.
Para obtener el aire necesario para una combustión completa existen dos medios:
- AIRE PRIMARIO: Que entra directamente con los combustibles líquidos o gaseosos o por debajo de las parrillas, en el caso de combustibles sólidos. Es el aire necesario para quemar completamente un combustible.
- AIRE SECUNDARIO: Que es el aire adicional o en exceso que se agrega al hogar para lograr una buena combustión.
En las calderas que queman combustibles sólidos, este aire se introduce sobre el lecho del combustible a través de la puerta del hogar o de las aberturas que éste tiene.
En calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, este aire entra por una puerta o lumbreras regulables apropiadas , incorporadas al quemador o cercanas a él.
b) EL TIRAJE
Es necesario eliminar los gases del combustible quemado en una caldera que se convirtieron en gases neutros y además agregar aire nuevo para que la combustión no se extinga.Los gases calientes tienden a subir y el aire frío atmosférico los empujan desde el hogar a los tubos y
hacia el escape de chimenea, formando una corriente llamada tiro de la caldera.
DEFINICIÓN:
Se llama tiro a la diferencia de presión que existe entre los gases del hogar y el aire ambiente, lo que permite el paso necesario de aire para la combustión.
Tipos de tiro
Natural: Son aquellas calderas donde la circulación y la entrada de gases se realiza naturalmente (calderas verticales, 2 pasos, etc.)
Forzado : El ventilador de tiro forzado, empuja o impulsa a los gases desde el quemador, produciendo una sobrepresión dentro de la caldera. (3 pasos, hogar con retorno, etc.)
Inducido: El ventilador de tiro inducido, aspira desde la chimenea los gases de combustión creando una depresión interna en la caldera. (acuotubulares, combustibles sólidos, etc.)
Balanceado : En calderas muy grandes, combinando ambos tirajes balanceándolos y en calderas chicas para combustión de sucedáneos.
Barrido de gases
En calderas de tiro natural: Se produce constante y naturalmente aún mientras el quemador no funciona.
En calderas de tiro forzado, inducido, balanceado: Al iniciar el ciclo de combustión y antes del encendido es necesario realizar un barrido preventivo de gases durante un tiempo acorde al combustible y la capacidad que se quema.
Los programadores de combustión lo realizan automáticamente.
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FUENTES:
M.J.D.
MAQ 303 CALDERAS NAVALES CAPITULO 1
Pedro Abarca Bahamondes - Walter Dümmer Oswald “Potencia y Rendimiento de la Caldera”
