CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 3
POTENCIA DE UNA CALDERA
Recordando lo estudiado en la
Unidad N°1,
el tamaño de una caldera es determinado por su "superficie de
calefacción" que es aquella parte de la caldera que por un lado está en
contacto con el agua y por el otro con el fuego y gases calientes,
medida por el lado de los humos y se expresa en metros cuadrados
Muchas
veces por costumbre se designa la potencia de una caldera en caballos
de fuerza, lo cual es erróneo, pues una caldera no tiene fuerza motriz
sino vapor, el que podría ser utilizado por una máquina que genere
fuerza motriz. Según sea la máquina producirá mayor o menor potencia con
la misma cantidad de vapor.
La potencia de una caldera se puede expresar en cantidad de vapor generado en una hora.
Desde
luego, esto dependerá de la superficie total de calefacción. A mayor
superficie de calefacción se tiene más vapor y, por lo tanto, mayor
potencia. La potencia se mide normalmente en kilogramo de vapor
producido en una hora por metro cuadrado de superficie de calefacción
(KVH/m2). En la potencia de las calderas tiene influencia su diseño,
construcción, instalación y manejo.
En la producción
de vapor tiene importancia la clase de combustible utilizado. Es
frecuente medir la potencia de una caldera, expresando el calor total
transmitido por la superficie de calefacción en kilocalorías por hora
(Kcal/Hr.).
RENDIMIENTO DE UNA CALDERA
Se
llama rendimiento al porcentaje de calor contenido en el combustible
que se traspasa al vapor generado por la caldera, al quemar dicho
combustible.
También podría definirse el rendimiento
diciendo que: "Es la relación entre la energía (calor) contenida en el
vapor y el calor contenido en el combustible que se quema”.
En otras palabras:
Los
factores que influyen en una caldera, considerando que un rendimiento
de un 70% es el que se logra generalmente en la práctica, serían los
siguientes:
a) Por combustión incompleta ...............................................9.80%
b) Por gases calientes de chimenea....................................14.00%
c) Por cenizas o escorias.......................................................2.85%
d) Por radiación y otras causas .............................................3.35%
e) Rendimiento de la caldera...............................................70.00%
CONDICIONES QUE INFLUYEN EN UN MEJOR RENDIMIENTO
•Mejorando la combustión y sistema de quemar el combustible, su efecto visible será menos hollín saliendo por la chimenea.
•Procurando
que los gases que van a la chimenea fluctúen entre los 200 a 300 ºC
para no afectar el tiraje ni tener pérdidas exageradas por los gases
calientes.
•Disminuyendo las pérdidas por radiación. Esto se
logra aislando la caldera y las cañerías conductoras de vapor o agua
caliente con un buen aislante térmico.
•Utilizando economizadores y precalentadores de aire.
•Mantener la caldera y los conductos de humo siempre limpios.
•Haciendo buenos tratamientos al agua de alimentación para evitar incrustaciones.
COEFICIENTE DE EVAPORACION O VAPORIZACION
Es
el vapor que se obtiene dividiendo la cantidad de kilos de vapor
generados en una hora por el peso en kilos del combustible consumido en
esa misma hora.
Esto nos indica el número de kilos de vapor que produce cada kilo de combustible quemado.
Este
factor es importante para conocer la cantidad de combustible y la forma
de trabajo o rendimiento de una planta generadora de vapor. O sea,
cuanto mayor sea el rendimiento de una caldera y mejor sea la calidad
del combustible y el sistema de combustión, mayor será la cantidad de
vapor generado por el combustible, es decir, mayor será su coeficiente
de evaporación.
CAPACIDAD DE EVAPORACIÓN DE LAS CALDERAS
La
capacidad máxima de evaporación de las calderas automáticas de uso
comercial, está predeterminada por diseño y por lo general está
calculada por las espectativas de uso particular de cada
establecimiento, economía de trabajo, la vida útil mas larga que se
pueda obtener sin averías que impliquen la detención de la
productividad y el menor costo de mantenimiento posible.Como se estudió
con anterioridad, la capacidad máxima de estas calderas será
determinada por la capacidad máxima de caudal de agua de alimentación.
En
los buques de guerra propulsados por vapor, se busca el mejor
rendimiento posible de acuerdo al estado de alistamiento de la unidad (
franquía, crucero de guerra, combate), por lo que la cantidad de vapor
que pueden producir las calderas varia, desde la cantidad obtenible con
un quemador equipado con la pastilla más pequeña, hasta la cantidad
obtenida empleando todas las calderas con todos los quemadores
encendidos y equipados con las pastillas de mayor tamaño (máxima
potencia en situación de combate). Los medios de que se dispone para
lograr la variación necesaria del grado de combustión (kilogramo de
combustible por metro 3 de volumen de horno) y poder cubrir tales
demanda de vapor, son los siguientes
1_ tamaño de las pastillas empleadas
2_ N° de quemadores encendidos por caldera
3_ presión de combustible
4_ numero de calderas usadas
5_ numero y velocidad de ventiladores en uso
La
capacidad de diseño o la cantidad de vapor que puede ser producida por
una caldera de circulación natural, generalmente está limitada por falta
de circulación, la cantidad del vapor, la capacidad de ventiladores, la
disminución del rendimiento de la combustión y otros factores, como ser
la resistencia de las envueltas. Las calderas navales la falta de
circulación rara vez es el factor determinante.
La
cantidad de quemadores instalados y el tamaño de las pastillas
permitirán un grado de combustión de máximo rendimiento, con la máxima
presión de combustible de diseño dentro de los límites de circulación
El
aumento o disminución de la carga con un número determinado de calderas
y con un tamaño determinado de pastillas, puede encararse de tres
maneras a saber:
- Aumentando o disminuyendo la presión de combustible a cada variación de la carga
- Aumentando la cantidades quemadores en servicio
- Cambiando las pastillas
QUEMADORES
Estudiaremos
aquí únicamente los quemadores que se aplican a las calderas
automáticas que podemos encontrar en nuestros Establecimientos Navales.
PARTES ESCENCIALES DE UN QUEMADOR
Bomba y circuito de combustible
La
función de la bomba y el circuito de combustible es poner en la
boquilla de pulverización el combustible en la cantidad y en el estado
(presión y temperatura) requeridos por el quemador en cada instante.
Filtro
Retener cualquier tipo de impureza en estado sólido
Ser lo suficientemente robusto para resistir sin deformarse ni roturas las presiones de trabajo
Las pérdidas de carga del fluido al atravesar el filtro deben ser bajas
Ser fácilmente limpiable.
Bomba
La
bomba comprime el combustible a la presión necesaria para producir su
atomización a la salida de la boquilla. (7 a 14 kg/cm2 para el gasóleo C
y 17 a 25 kg/cm2 para fuelóleos, siendo lo usual 12 kg/cm2 para el
gasóleo y 22 kg/cm2 para el fuelóleo)
Son bombas volumétricas rotativas, normalmente de engranajes
Dan pequeños caudales y elevadas presiones, son de caudal constante
1.
Cámara de aspiración; 2. Conexión de aspiración; 3. Conjunto
engranajes; 4. Conexión retorno; 5.Conductos en presión; 6. Envío a
boquilla; 7. Muelle regulación presión; 8. Racor de retorno; 9. Conducto
de retenes; 10. Cámara de retenes; 11. Tapón de retorno; 12. Tapa de
engranajes; 13. Toma para manómetro; 14. Pistón regulación presión; 15.
Prisionero regulación presión; 16. Conducto lubrificación eje.
Boquilla de pulverización
El
combustible sometido a una gran presión, es obligado a salir por un
orifico pequeño después de haber recibido un movimiento de rotación.
El movimiento de rotación se origina, al obligar al combustible a pasar por una hélice antes de llegar al orificio de salida.
La
fuerte caída de presión que experimenta el combustible al salir se
transforma en un aumento de velocidad, que origina la atomización del
combustible.
Parámetros a considerar en la selección:
o Forma del hogar
o Potencia térmica de la caldera
o Tipo de combustible
Marcado de las boquillas estándar
Detalla
el caudal de la boquilla en USgal/hr, la forma y el ángulo de
pulverización a 700 kPa (x 10-2 bar) con combustible de prueba de 3.4
mm2/s y 820 Kg/m3
kg/h.
Capacidad del combustible en kilogramos por hora con una viscosidad de
4,4 cSt, un peso específico de 0,83 y una presión de atomización de 7
bar.
Usgal/h. Capacidad del combustible líquido en galones US por
hora con una viscosidad de 3,4 cSt, un peso específico de 0,82 y una
presión de 7 bar
l/h. Capacidad del combustible líquido en litros
por hora con una viscosidad de 3,4 cSt, un peso específico de 0,82 y una
presión de atomización de 7 bar.
60º. Angulo de rociado
S, H, B. Cono de salida
Despiece de una boquilla atomizadora con aire de media/alta presión
Ángulo de pulverización
Existen seis ángulos de pulverización estandarizados
Cono de llama - Hueco, Semihueco y Lleno
Ventilador y circuito de aire
Forman el circuito de aire de combustión
Suministran la cantidad de aire necesaria para la combustión
Aseguran una cierta calidad de este aire, imprimiendo una velocidad y una turbulencia que favorezca la mezcla homogénea
Debe vencer la contrapresión del hogar
Distribución del aire
El
cabezal de distribución de aire está formado, en general, por un
estabilizador o deflector y por el cañón de llama, con ciertas
posibilidades de movimiento relativo entre ellos.
Cabeza de combustión
Es el lugar donde el circuito de aire y de combustible aportan el aire y el combustible respectivamente y tiene lugar la llama.
Es importante:
- Los caudales que aportan
- El centrado del deflector de aire y la boquilla de pulverización
- La distancia entre la salida de la boquilla y el deflector.
Circuito de encendido
Se utiliza el encendido eléctrico por arco de chispa que salta entre dos electrodos. Los elementos del circuito son:
Transformador eléctrico
Electrodos
Porta electrodos
Transformador
El
transformador se alimenta en baja como el resto del quemador y produce
en el secundario entre 10.000 y 12.000 voltios con una intensidad del
arco de 25 a 50 miliamperios.
Electrodos de encendido
Son
varillas de níquel o acero inoxidable 18/8 de unos 2 mm de diámetro que
se alojan en una envoltura de cerámica aislada de 12 a 14 mm de
diámetro
Cada constructor da para sus quemadores unas distancias concretas que oscilan:
A entre 3 y 5 mm.
B entre 8 y 12 mm, según el ángulo de pulverización
C entre 1 y 5 mm
D que se da a veces entre 4 a 6 mm.
Elementos de seguridad y control
El
funcionamiento del quemador y el gobierno automático del mismo y de
cada uno de sus órganos se realiza a través del programador
Las funciones de gobierno del quemador son:
- Alimentación del transformador de encendido que produce la chispa
- Alimentación del motor eléctrico del quemador que acciona bomba y turbina.
- Corte de alimentación de los electrodos si el encendido ha sido correcto
- Detección de la marcha del quemador por orden del termostato de caldera, presostato o del termostato ambiente.
- Vigilancia permanente del quemador cuando está funcionando
Los quemadores también se pueden clasificar de acuerdo al estado de agregación del combustible a utilizar, a saber:
- Quemadores de combustibles líquidos
- Quemadores de combustibles gaseosos
- Quemadores de combustibles sólidos
Los tipos de quemadores que mas se utilizan en nuestra Armada son los dos primeros, por lo que haremos incapié en ellos.
QUEMADORES DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS
Los combustibles líquidos deben ser vaporizados antes de ser quemados.
Algunos
quemadores de baja capacidad (hasta 25 Kg de combustible/Hr.),
denominados quemadores de vaporización, realizan esta acción en una sola
etapa mediante calentamiento.
Sin embargo, todos los
quemadores industriales de alta capacidad realizan la vaporización en
dos etapas: atomización o separación de líquido en finas partículas y
vaporización mediante calentamiento directo de las partículas.
Según el mecanismo o medio de atomización utilizado, los quemadores se clasifican en:
- Quemadores de atomización con aire a baja presión.
- Quemadores de atomización con aire o vapor a alta presión.
- Quemadores de atomización mecánica.
- Quemadores centrífugos o de copa rotatoria.
Ejemplo de quemador de pulverización neumática a baja presión de mezcla
1. Alimentación de combustible.
2. Filtro de combustible.
3. Bomba de combustible.
4. Bypass de retorno de combustible
5. Válvula de regulación de presión, Primario. incorporada a la bomba de combustible.
6. Bomba dosificadora de combustible
7. Filtro de aire.
8. Compresor de aire primario.
9. Ventilador de aire secundario.
10. Transformador de encendido.
11. Conducto de inyección de aire
12. Caña de combustible.
13. Electrodos de encendido.
14. Boquilla pulverizadora.
Ejemplo de un quemador de pulverización mecánica
1 Alimentación de combustible
2 Filtro
3 Bomba
4 Retorno
5 Regulador de presión
6 Ventilador
7 Transformador
8 Electrodos de encendido
9 Distribución de aire
10 Cabeza de combustión
11 Boquilla de pulverización
7 Transformador
8 Electrodos de encendido
El
combustible se impulsa a través de un eje hueco a una pieza
troncocónica, llamada copa. Que gira a gran velocidad (3.000 a 4.000
r.p.m., normalmente), al alcanzar el extremo de la copa, tiende a
disgregarse en diminutas partículas.
QUEMADORES DE COMBUSTIBLES GASEOSOS
Debido
a la limpieza de los gases y a que el combustible ya está atomizado
antes de entrar al quemador, el proceso de combustión no requiere una
gran preparación previa.
Existen un gran número de tipos de quemadores para gases.
Existen quemadores específicos de aplicaciones industriales y domésticas (calderas murales)
De todos los combustibles es el que se quema con menor exceso de aire, lo que permite obtener mayores rendimientos
Por
ser el combustible que más hidrógeno contiene por átomo de carbono y
estar exento de otro tipo de impurezas, es el que menos contaminación
atmosférica produce.
Son los que presentan menos dificultad en el
proceso de combustión. Son más sencillos, ya que la mezcla con el aire
se consigue fácilmente. Las partículas de gas que se mezclan íntimamente
con el aire permiten una buena combustión con una mínima cantidad de
aire.
Se clasifican según la zona donde se mezclan el aire y el combustible:
- Quemadores de premezcla: Mezclado antes del quemador
- Quemadores cerrados: Mezclado en el quemador.
- Quemadores abiertos: Mezclado mixto.
Sus
capacidades cubren un rango muy amplio. Desde fracciones de kilogramos
por hora (domésticos), hasta unos 1.500 Kg/Hr. (industriales y calderas
grandes)
Quemador de premezcla con ventilador incorporado
Quemador atmosférico o abierto.
Los
quemadores de mezcla previa son aquellos en que parte o la totalidad
del aire necesario para la combustión completa, se mezcla con el gas a
la entrada del quemador o inmediatamente antes de iniciarse la
combustión.
La
mezcla entre combustible y comburente se realiza en la descarga a la
cámara de combustión, se tienen dos sistemas de combustión:
- Cuando la mezcla se realiza en la cabeza del quemador, el gas vertido en la cámara de combustión tiene la composición correcta.
- La mezcla se realiza al inicio de la combustión, el gas y el aire
entran por separado a la combustión, no suele emplearse para generadores
de calor.
La reacción de combustión es rápida.
La llama es corta y de elevada temperatura.
QUEMADORES DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS
El carbón es una gran fuente de energía mundial y lo más probable es que continuará así por muchos años
El mayor problema de la combustión del carbón son las emisiones de gases peligrosos a la atmósfera: azufre y cenizas.
La
calidad del carbón es una consideración importante a la hora de su
combustión, debido a la amplia variedad de carbones que existen.
Cualquier carbón se puede quemar con éxito, sólo hay que seleccionar la tecnología adecuada.
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CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 1
CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 2
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FUENTES:
M.J.D.
MAQ 303 CALDERAS NAVALES CAPITULO 9 Accesorios de calderas.
Pedro Abarca Bahamondes - Walter Dümmer Oswald
“Potencia y Rendimiento de la Caldera”
Directorio de la Proveedores Industriales de la República Mexicana https://www.dirind.com/dim/monografia.php
ESCUELA DE TÉCNICAS Y TÁCTICAS NAVALES - Apuntes
