Generador de Vapor

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE HERMOSILLO

Materia: Equipos Mecánicos Maestro: Ing. Arguello Carrillo Antonio Carrera: Ingeniería eléctrica Unidad III: Generador de vapor Grupo: L5A Alumno: Carranza Omar Alexis

Hermosillo, Sonora a 5 de diciembre 2017

INDICE

Introducción   ....................................................................................................................................... 4  Antecedentes  Antecedentes  .................................................................................................................................... 5 Planteamiento del problema   ........................................................................................................... 6 Objetivo general   ............................................................................................................................ 6 Objetivo particular   ......................................................................................................................... 6 Marco teórico  ..................................................................................................................................... 7 3.1 Generalidades de diseño de las calderas pirotubulares y acuotubulares.  ..................... 10 3.1.1 Calderas pirotubulares   ..................................................................................................... 10 3.1.1.1

Calderas horizontales   ........................................................................................ 10

3.1.1.2 Calderas pirotubulares verticales   ........................................................................... 11 3.1.1.3 Calderas de dos y tres pasos de gases ................................................................. 12 3.1.1.4 Componentes   ............................................................................................................. 12 3.1.1.5 Ventajas y desventajas   ............................................................................................ 13 3.1.2

Calderas acuotubulares   ............................................................................................. 14

3.1.2.1

Principio de funcionamiento  .............................................................................. 14

3.1.2.2

Componentes   ...................................................................................................... 15

3.1.2.3

Ventajas y desventajas   ...................................................................................... 15

3.1.3

Fabricantes de generadores de vapor   ........................................................................ 17

3.1.3.1 Caldera U-MB de BOSCH   ........................................................................................... 17

3.2

3.1.3.2

Características Características físicas  ........................................................................................ 18

3.1.3.3

Características operativas  ................................................................................. 20

Combustibles, quemadores y accesorios de calderas.  ................................................ 21

3.2.1 Combustibles   ..................................................................................................................... 21 3.2.2

Quemadores   ................................................................................................................ 22

3.2.2.1 Ventiladores   ............................................................................................................... 22 3.2.2.3

Quemadores de gas  ........................................................................................... 23

3.2.2.4 Quemadores de combustible combinado  .............................................................. 24 3.2.3

 Accesorios de calderas calderas .............................................................................................. 24

3.2.4 Comportamiento de emisiones de gases de combustión de generadores de vapor para diferentes relaciones combustible/aire. ............................................................... 27 3.3

Características del vapor saturado y sobrecalentado y sus aplicaciones.  ................ 28

3.3.1 Características del vapor saturado y como se genera.  .............................................. 28 2

3.3.2

Características del vapor sobrecalentado y como se genera .............................. 29

3.3.3

 Aplicaciones  Aplicaciones de vapor vapor saturado y sobrecalentado. sobrecalentado. ............................................... 30

3.3.4

Efectos del vapor saturado y sobrecalentado  ........................................................ 31

3.4 Gases y emisión de partículas a la atmósfera. Nociones de carburación, medición y control de emisiones   ...................................................................................................................... 32 3.4.1 Carburación   ....................................................................................................................... 32 3.4.2

Medición   ....................................................................................................................... 32

3.4.3

Control de emisiones   ................................................................................................. 34

Resumen  .......................................................................................................................................... 36 Conclusión   ....................................................................................................................................... 37 Bibliografía   ....................................................................................................................................... 38 Videos............................................................................................................................................... 38

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Máquina de Watt. ................................................................................................................ 5 Figura 2. Elementos de una caldera. ................................................................................................... 8 Figura 3. Ciclo Rankine. ....................................................................................................................... 9 Figura 4. Caldera pirotubular horizontal. .......................................................................................... 11 Figura 5. Partes caldera vertical. .......................... ................................... .................. .................. .................. .................. .................. .................. ................... .............. .... 11 Figura 6. Caldera pirotubular de dos y tres pasos................... ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ............ ... 12 Figura 7. Componentes caldera pirotubular .......................... ................................... .................. .................. .................. ................... ................... ............. .... 13 13 Figura 8. Caldera acuotubular. .......................................................................................................... 14 Figura 9. Caldera acuopirotubular. ................................................................................................... 16 Figura 10. Caldera BOSCH. ................................................................................................................ 17 Figura 11. Vista lateral Caldera BOSCH. .................. ........................... .................. .................. .................. .................. .................. .................. .................. ........... .. 17 17 Figura 12.Construccion caldera Bosch. ................... ............................ .................. .................. .................. .................. .................. .................. .................. ........... .. 18 Figura 13. Partes caldera BOSCH U-MB. .................. ........................... .................. ................... ................... .................. .................. .................. .................. ......... 19 Figura 14. Características operativas BOSCH U-MB. .............. ....................... .................. .................. .................. .................. ................... .............. .... 20 Figura 15. Quemador de automatización por vapor. .......... ................... .................. .................. .................. .................. ................... ................. ....... 23 Figura 16. Quemador de gas atmosférico. .................. ........................... .................. ................... ................... .................. .................. .................. ............... ...... 23 Figura 17. Quemador de combustible combinado. .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ............ 24 Figura 18. Válvula de seguridad. ....................................................................................................... 24 Figura 19. Manómetro de caldera..................................................................................................... 25 Figura 20. Indicador de nivel. ............................................................................................................ 26 Figura 21. Placa característica. .......................................................................................................... 26 Figura 22. Accesorios de una caldera. ............................................................................................... 27 Figura 23. Calor saturado y sobrecalentado. .......................... ................................... ................... ................... .................. .................. .................. ............ ... 29 Figura 24. Ciclo combinado. .............................................................................................................. 31 Figura 25. Monitor de combustion. .................................................................................................. 33 Figura 26. Aparato de Orsat usado para analizar los gases de la combustión................... ........................... ............... ...... 35 3

Introducción Una caldera es un recipiente cerrado que proporciona un medio para la combustión y transfiere calor al agua hasta que se convierte en agua caliente o vapor. El agua caliente o el vapor a presión se pueden usar para transferir el calor a un proceso. El agua es un medio útil y barato para transferir calor a un proceso. Cuando el agua se convierte en vapor, su volumen aumenta aproximadamente 1.600 veces, produciendo una fuerza que es casi tan explosiva como la pólvora. Esto hace que la caldera sea un equipo peligrosamente peligroso y debe tratarse con cuidado. El avance de las industrias a utilizado estas calderas de manera significativa para los procesos de transferencia de calor que cuyo objetivo es gener ar vapor mediante una combustión hecha en el horno. Las múltiples aplicaciones que tienen las calderas industriales, las condiciones variadas de trabajo y las innumerables exigencias de orden técnico y práctico que deben cumplir para que ofrezcan el máximo de garantías en cuanto a solidez, seguridad en su manejo, durabilidad y economía en su funcionamiento, ha obligado a los fabricantes de estos equipos a un perfeccionamiento constante a fin de encarar los problemas. La búsqueda de soluciones ha originado varios tipos existentes agrupados según sus características más importantes; así mismo para asegurar un correcto y seguro funcionamiento se utilizan accesorios que permitirán evitar accidentes. Hay distintos tipo de vapor que son generados mediante la aplicación de calor y tienen distintas aplicaciones dentro de los equipos. Las calderas debido al proceso de combustión que se lleva en ellas emiten gases y partículas las cuales son contaminantes y por lo tanto se deben tener sistemas para evitar y controlar la emisión de estos gases.

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Antecedentes La primera mención de la idea de utilizar vapor para obtener energía aparece en la neumática, del inventor y matemático griego Herón de Alejandría, en el siglo I. Allí describió su eolípila, una turbina de vapor que consistía en una caldera conectada mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que podía girar libremente. La esfera estaba equipada con dos boquillas biseladas por donde salía vapor que producía la rotación de la esfera. El inventor escocés James Watt mejoró la máquina de Newcomen e introdujo el primer avance significativo de la caldera, el recipiente esférico o cilíndrico que se calentaba por abajo con una hoguera. La caldera de Watt, construida en 1785, consistía en un armazón horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigir los gases calientes de la combustión sobre la caldera. Watt, uno de los primeros ingenieros que aprovechó las propiedades termodinámicas del vapor de agua, utilizó la válvula de seguridad de palanca, manómetros para medir la presión y grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas.

Figura 1. Máquina de Watt.

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Planteamiento del problema La falta de información sobre las especificaciones técnicas de las calderas ha provocado que se generen accidentes por falta de conocimiento sobre el funcionamiento de estas. Objetivo general -Comprender el funcionamiento y características de las calderas de vapor.

Las calderas se clasifican generalmente en dos grupos y cada uno de ellos tiene un distinto funcionamiento y por lo tanto se tienen distintas aplicaciones de las c alderas. Para poder utilizar una caldera de la manera correcta ocuparemos analizar su estructura y sus principios de funcionamiento.

Objetivo particular -Seleccionar lo accesorios adecuados para la seguridad y reducción de emisiones de las calderas.

Las calderas cuentan con ciertos accesorios que permiten un funcionamiento más óptimo y a su vez más seguro; dependiendo del tipo de sistema se necesitaran ciertos accesorios. Algunos de estos accesorios se utilizan para evitar la emisión de gases contaminantes y poder cumplir con las normas establecidas por las autoridades competentes.

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Marco teórico -Generador de vapor Son las unidades diseñadas para producir vapor a partir del intercambio térmico entre el agua y una fuente de alto contenido calórico, la cual puede ser gases producto de una combustión u otro fluido. Los generadores de va por más conocidos son: Los rehervidores, los hornos y las calderas y ellos pueden ser de muchas formas y tamaños determinados por los requerimientos del usuario y las limitaciones de espacio. Las variables en el diseño de estos generadores casi no tienen límites pues existen muchos factores implicados en su selección y operación. De cualquier manera, al escoger uno de estos equipos se debe tener en cuenta que llene los siguientes requisitos básicos:     



Adecuado tamaño de todos sus componentes. Tiempo de vida satisfactorio. Acceso a todas sus partes para inspección/reparación. Disponibilidad de partes para reposición. Seguridad y contabilidad en su operación. Costos de instalación y operación.

-Caldera Una caldera es un recipiente cerrado en el cual, por m edio del calor que produce un combustible al quemarse (combustóleo, gas, diésel, etc.), el agua es transformada en vapor a una presión más alta que la presión atmosférica. Se aplica a un dispositivo para generar vapor para fuerza, procesos industriales o calefacción, a la caldera se le considera como un productor de vapor en términos generales. Sin embargo muchas calderas generadas para vapor se pueden convertir en calentadores de agua. Las calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente de una fuente externa (generalmente combustión de algún combustible), a un fluido contenido dentro de la misma caldera. Si este fluido no es vapor ni agua a la unidad se le clasifica como vaporizador (generador de vapores) o como un calentador de líquidos térmicos. De cualquier carácter que sea, este líquido debe estar dentro del equipo con las debidas medidas de seguridad. El vapor o agua caliente, deben ser alimentados con las condiciones deseadas, es decir, de acuerdo con la presión, temperatura y calidad, y en la cantidad que se requiera. Por razones de economía, el calor debe ser generado y suministrado con un mínimo de pérdidas.

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Figura 2. Elementos de una caldera.

-Entalpía del líquido El calentamiento del agua hasta alcanzar una temperatura determinada a una presión dada causará que esta entre en ebullición y de esta forma el vapor sea liberado. El calor requerido para llevar el agua desde 32° F, que es la temperatura o punto base para el estudio de las propiedades del agua y del vapor, ha sta el punto de ebullición, es lo que se conoce como entalpía del líquido saturado y es medida en BTU’S por libra.

-Saturación Cuando el agua está en ebullición, ambos, el agua y el vapor liberado, tienen una misma temperatura que se llama temperatura de saturación. Para cada presión a la que ebulle el agua existe solamente una temperatura de saturación y viceversa. El calor agregado durante la ebullición es utilizado para pasar el agua de su estado líquido a vapor. Este calor medido también en BTU'S por libra se denomina entalpía de evaporación. La suma de la entalpía del líquido saturado más la entalpía de evaporación nos da la entalpía del vapor saturado, que equivale al calor agregado para llevar el agua desde 32°F hasta vapor a una presión dada.

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-Combustión La Combustión es un proceso químico de oxidación rápida que va acompañado de desprendimiento de energía bajo en forma de calor y luz. Para que éste proceso se dé, es necesario la presencia de un combustible, un comburente y calor. El material que es capaz de arder y se combina con el oxígeno, se conoce como combustible. En las combustiones ordinarias el combustible es una sustancia compuesta, como hidrocarburos (gas de petróleo, gasolina, kerosene, parafina, etc.), existen otros compuestos como el hidrógeno, el azufre, el papel, la madera, etc. El oxígeno, elemento esencial para que se produzca y continúe el proceso de oxidación, se conoce como comburente.

-Ciclo Rankine Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador, como se muestra de manera esquemática en un diagrama T-s en la figura 3. Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:   



1-2 Compresión isentrópica en una bomba 2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera 3-4 Expansión isentrópica en una turbina 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 

Figura 3. Ciclo Rankine.

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Generador de vapor 3.1 Generalidades de diseño de las calderas pirotubulares y acuotubulares. Con el paso del tiempo muchos desarrollos se han llevado a cabo y esto permite clasificar a las calderas de vapor de diferentes maneras. Cada fabricante ha seleccionado diferentes aspectos de las calderas, creando tipos de calderas que se han llegado a popularizar en la industria. Los dos tipos generales de calderas que son las pirotubulares y las acuotubulares. En las calderas pirotubulares los humos pasan dentro de los tubos, cediendo su calor al agua que los rodea; mientras que en las calderas acuotubulares el agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior. Debido a su tamaño más compacto, las calderas acuotubulares suelen tener una carga térmica por superficie de calefacción superior, lo que les hace más sensibles a la calidad del agua, de ahí que la normativa vigente exija condiciones más restrictivas para el agua de alimentación de estos equipos. 3.1.1 Calderas pirotubulares Son aquellas calderas en las que los gases circulan por el interior de los tubos y el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos. Este tipo de calderas tiene un gran volumen de agua y se suelen utilizarse cuando la presión de trabajo está por debajo de los 22 bar. Gracias a su gran volumen de agua estas calderas se adaptan mejor a las variaciones de la instalación que las calderas acuotubulares. Tienen un título de vapor cercano al 1, es decir, que el contenido de agua po r unidad de masa es bajo, alrededor de un 3%.

3.1.1.1

Calderas horizontales

En este tipo de calderas el haz tubular esta desde la parte delantera a la trasera de la caldera. El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o más pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua está generalmente 2" por encima de la huera de tubos más alta. Las calderas horizontales con tubos múltiples de humo, hogar interior y retorno simple o doble retorno son las llamadas calderas escocesas y son las de aplicación más frecuente en nuestro país. Estas calderas, como cualquier otro tipo, pueden ser utilizadas con hogar para quemar carbón, leña o bien con quemadores de petróleo.

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Figura 4. Caldera pirotubular horizontal.

3.1.1.2 Calderas pirotubulares verticales En este tipo de calderas el haz tubular está dispuesto de la parte inferior a la parte superior de la caldera.

Figura 5. Partes caldera vertical.

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3.1.1.3 Calderas de dos y tres pasos de gases En este tipo de calderas se tienen dos o tres vías de paso autónomas de circulación de los productos de circulación. Las calderas de dos pasos se caracterizan por su bajo rendimiento, así como un alto contenido de sustancias contaminantes de sus gases de combustión mientras que las calderas de tres pasos tienen un alto rendimiento y baja contaminación.

Figura 6. Caldera pirotubular de dos y tres pasos.

3.1.1.4 Componentes 

Envolvente exterior

Este elemento es de forma cilíndrica y es el encargado de contene r los fluidos y evitar que salgan al exterior. 

Hogar de combustión

Tiene una construcción cilíndrica y disposición horizontal, es la encargada de contener la llama del quemador e indicar el intercambio de energía por radiación. 

Cámara de inversión de gases

Es el encargado de reconducir los gases de la combustión hacia el haz tubular, haciendo cambiar de dirección a los mismos. 

Fondo delantero y trasero exterior

De forma circular, van soldados a la virola exterior y al igual que esta evitan que los fluidos salgan al exterior. 

Fondo delantero y trasero inferior (3 pasos)

12

Van soldados a la virola de la cámara de inversión y contienen a los productos de combustión. 

Haz tubular Son conjuntos formador por una cantidad variable de tubos, por los cuales circulan los gases de la combustión por su interior.

Figura 7. Componentes caldera pirotubular 

3.1.1.5 Ventajas y desventajas VENTAJAS Menor costo inicial, debido a la simplicidad de diseño en comparación con las acuotubulares de igual capacidad. Mayor flexibilidad de operación, ya que el gran volumen de agua permite absorber fácilmente las fluctuaciones en la demanda de vapor. Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, porque las incrustaciones formadas en el exterior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por las purgas. Facilidad de inspección, reparación y limpieza

DESVENTAJAS Mayor tamaño y peso que las acuotubulares de igual capacidad. Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. Gran peligro en caso de explosión o ruptura, debido al gran volumen de agua almacenado. No son empleadas presiones.

para

altas 13

3.1.2 Calderas acuotubulares En este tipo de calderas el fluido de trabajo se desplaza por el interior de tubos durante su calentamiento y los gases de combustión circulan por el exterior de los mismo tienen un bajo volumen de agua y son utilizadas en presiones mayores a los 22 bar. Su título de vapor es de 0.85%, el cual es muy bajo y no indica un contenido de agua por unidad de masa del 15% y por lo tanto se tienen que utilizar secadores de vapor para reducir esta cifra. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en esfuerzos de tracción en toda su extensión.

3.1.2.1

Principio de funcionamiento

En la figura 4 se representa una caldera con un solo tubo de agua. Sólo una rama del tubo se calienta, ya que la otra se encuentra protegida por una pantalla aisladora. En la rama izquierda, el calor calienta el agua, generando vapor y haciendo que ambos (agua y vapor) se muevan hacia arriba. Esta mezcla entra al colector y el agua fría pasa a ocupar su lugar en el tubo calentado. El agua fría se encuentra en el tubo no calentado y en la parte inferior del colector. De esta forma, existe un movimiento continuo de agua-vapor en la dirección que señalan las flechas, en las que siempre la mezcla de agua caliente y vapor sube al colector, mientras el agua fría del fondo del colector baja y ocupa el lugar de esta mezcla.

Figura 8. Caldera acuotubular.

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3.1.2.2 Componentes   Domo Es de forma cilíndrica y en su interior contiene los dos fluidos. Al ser de dimensiones reducidas, se le ha de dotar de separadores de gotas para elevar el título de vapor. 





Cámara de combustión Es donde se realiza la combustión. Está delimitado en sus seis lados por paredes de membrana, que excepto una de ellas, el resto están totalmente cerradas al paso de gases de combustión al exterior. Paredes de membrana Son las formadas en su totalidad de tubos refrigerados por el agua que circula por su interior.

  Evaporadores Son haces de tubos dispuestos generalmente a contracorriente de los gases especialmente donde se efectúa por convección.



  Economizadores Se instalan en la salida de gases de las calderas para aumentar su rendimiento. Formados por tubos lisos o con aletas, por el interior de dichos tubos circula el agua de alimentación a la caldera y por fuera de los tubos los gases de la combustión a contracorriente.



  Recalentadores Son equipos compuestos por serpentines de tubos instalados en las zonas de mayor temperatura de la caldera. Generalmente están justo detrás de la membrana y después de la cámara de combustión y su principal trabajo es llevar el título de vapor a 1. 3.1.2.3 Ventajas y desventajas 

VENTAJAS Menor peso por unidad de potencia generada. Por tener pequeño volumen de agua en relación a su capacidad de evaporación, puede ser puesta en marcha rápidamente. Mayor seguridad para altas presiones.

DESVENTAJAS Su costo es mayor. Deben ser alimentadas con agua de gran pureza, ya que las incrustaciones en el interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos. Debido al pequeño volumen de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de

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vapor, siendo necesario trabajarlas a mayor presión que la necesaria en las industrias. Mayor eficiencia. Son inexplosivas.

Figura 9. Caldera acuopirotubular.

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3.1.3 Fabricantes de generadores de vapor 3.1.3.1 Caldera U-MB de BOSCH

Figura 10. Caldera BOSCH.

Figura 11. Vista lateral Caldera BOSCH.

La denominación del producto U-MB significa "UNIVERSAL Modular Boiler" (caldera de vapor de tres pasos con estructura modular). Este tipo de caldera está formado por varios módulos que satisfacen perfectamente sus exigencias individuales.

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3.1.3.2

Características físicas

La caldera de vapor U-MB está construida a modo de caldera pirotubular de tres pasos y hogar interior. Se compone de varios módulos, el módulo generador de calor con construcción de tres pasos, la cámara de vapor situada encima y un Economizador integrado. Al ser una auténtica caldera de tres pasos se puede prescindir de elementos de circulación integrados en los tubos de humos. El elemento generador de calor del U-MB está basado en la construcción de caldera UT – eficacia probada durante décadas en miles de ocasiones. La geometría de los tubos de humo de grandes dimensiones permite un proceso de combustión eficiente. La selección del elemento de vapor influye considerablemente en la calidad del vapor. Un gran dimensionamiento repercute positivamente en la humedad de vapor residual. El Economizador integrado influye directamente en la eficiencia energética. El calor contenido en los gases de escape se utiliza para calentar previamente el agua de alimentación de la caldera, recuperándose así en gran parte y reduciendo el consumo de combustible y el grado de emisiones. El generador de vapor, de prototipo aprobado, se fabrica según las exigentes directivas del sistema de aseguramiento de la calidad módulo D de la directiva sobre equipos a presión.

Figura 12.Construccion caldera Bosch.

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Otras de sus características son:      

Bajas emisiones de acuerdo con los estándares requeridos. Tecnología alemana de 3 pasos con aprobación TÜV. Máxima eficiencia gracias al economizador integrado.  Alta seguridad en la caldera, impide sobrecarga.  Arranque automático para una puesta en marcha suave desde frío. Poco espacio gracias a su base compacta.

Figura 13. Partes caldera BOSCH U-MB.

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3.1.3.3

Características operativas

Los elementos de la caldera se configuran con un enfo que especial en un bajo nivel de emisiones, una gran calidad de vapor y una óptima eficiencia energética. Gracias a la estructura modular con utilización consecuente de elementos de construcción y las mismas piezas de otras series puede disfrutar de una relación calidad-precio especialmente atractiva.

Figura 14. Características operativas BOSCH U-MB.

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3.2 Combustibles, quemadores y accesorios de calderas. 3.2.1 Combustibles Cualquier material que puede quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de hidrógeno y carbono. Reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y se denotan por la fórmula general CnHm. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos son el carbón, la gasolina y el gas natural. La obtención de esa energía tiene un precio económico así como uno ambiental, por lo que no solo se deben conocer los procesos de combustión asociados, sino también las fuentes de energía disponibles para obtener dicha combustión. 

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Combustibles solidos Son aquellas sustancias en las que sus moléculas presentan una gran cohesión entre sí; su característica fundamental es que mantienen su forma y volumen definidos. Combustibles líquidos No poseen forma definida, aunque mantienen un volumen determinado Combustibles gaseosos Su característica fundamental es que tienen la forma y volumen variable y ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.

Los combustibles usados en la Industria se dividen en sólidos, líquidos y gaseosos; de origen natural o artificial. ESTADO

SÓLIDOS

LÍQUIDOS

GASEOSOS

NATURALES Leña Turba Lignito Hullas  Antracitas

ARTIFICIALES Carbón Coke. Carbón leña. Briquetas

Petróleo

 Alquitrán Bencina Kerosene Fuel – oil.  Alcohol.

GAS NATURAL

Gas de alumbrado Gas pobre( gasógeno) Gas de alto horno

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3.2.2 Quemadores Son los elementos de la caldera encargados de suministrar y acondicionar el combustible para mezclarlo con el aire y obtener una buena combustión. Deben producir una llama estable y uniforme de manera que se realice una cierta distribución en el hogar. Los quemadores de gas son perforados y por sus orificios el gas debe salir a una velocidad mayor que la del aire para asegurar una penetración íntegra del chorro de aire. En los quemadores de aceite, este debe ser atomizado para aumentar la superficie de contacto con el aire. La atomización se realiza generalmente con vapor pero se puede utilizar aire también. Aunque el vapor produce una muy buena atomización, presenta corno desventaja que causa un mayor contenido de agua en los gases de combustión y disminuye el punto de rocío de los gases, además representa consumo de vapor que no se recupera.

3.2.2.1 Ventiladores Los ventiladores son los encargados de suministrar el aire para la combustión, y de sacar los gases desde el hogar hacia la chimenea en las calderas de tiro balanceado. Deben tener una capacidad superior en un 15% al flujo a máxima carga para suplir las pérdidas por ensuciamiento de la caldera, disminución de la calidad del combustible o desgaste de los mismos ventiladores.

3.2.2.2 Quemadores de combustibles líquidos  Además de proporcionar combustible con aire y mezclarlo, los quemadores deben preparar el fuel-oil para la combustión. Los dos sistemas son: el combustible debe vaporizarse o gasificarse por calentamiento en el quemador, o el aceite com bustible debe atomizarse por el quemador de modo que la vaporización pueda tener lugar en la cámara de combustión. Los quemadores de vaporización (primer grupo) están limitados en su rango a combustibles que puedan ser manipulados manualmente, y por ello tienen poca utilización en plantas industriales. Si el combustible tiene que vaporizarse en el espacio de combustión y en el instante del tiempo disponible, debe dividirse en muchas pequeñas partículas para exponer la mayor superficie posible al calor (y al oxigeno del aire). Esta atomización se efectúa de tres formas básicas:   

utilizando vapor o aire comprimido para romper el aceite en gotitas forzando el aceite a pasar a presión a través de un orificio desprendiéndola de una película de aceite por fuerza centrífuga rotativa.

Los tres sistemas se utilizan en la realidad. Además, un quemador debe suministrar una buena mezcla de combustible y aire para que pueda garantizarse una completa combustión de las gotitas. 22

Figura 15. Quemador de automatización por vapor .

3.2.2.3

Quemadores de gas

La combustión del gas no precisa preparación del combustible, como lo necesitan los sólidos y Líquidos. Pero su proporción en el aire, mezclado y en combustión puede tratarse de varios modos. También necesitan conocerse las características del combustible para una seleccion de los equipos y de su operación con éxito. Los quemadores atmosféricos se utilizan para quemar gas y difieren principalmente en el modo en que se mezclan el aire y el combustible. EI quemador atmosférico es popular, como se aprecia en sus aplicaciones domésticas. EI momento cinético de la corriente gaseosa de entrada a baja presión se usa para aspirar parte del aire necesario para la combustión. Un cierre o mecanismo similar regula la cantidad de aire inducido de esta manera. EI gas y el aire pasan juntos a través de un tubo que conduce a la abertura del quemador, mezclándose en el proceso. La mezcla arde en las puertas o aberturas del cabezal del quemador (con una llama azul, no luminosa). EI aire secundario se dirige a la llama desde la atmosfera circundante.

Figura 16. Quemador de gas atmosférico.

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3.2.2.4 Quemadores de combustible combinado Este tipo de quemadores pueden quemar carbón pulverizado, gas-oil, fuel-oil y gas. La razón más normal para estas combinaciones de combustibles es obtener ventajas de las diferencias de precio durante los cambios estacionales anuales, como variaciones invierno-verano en los precios del gas natural 0 del fuel-oil. El diseño puede incluir también la posibilidad de quemar dos combustibles simultáneamente.

Figura 17. Quemador de combustible combinado.

3.2.3 Accesorios de calderas Las calderas tienen accesorios que garantizan un funcionamiento correcto, seguro y eficiente. Válvula de seguridad : Evita que la presión de la caldera suba por encima del valor

de ajuste librando de la presión del vapor excesiva y protegiendo contra los riesgos de la sobrepresión.

Figura 18. Válvula de seguridad.

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Válvula de corte del suministro de vapor : Es la válvula instalada en la salida de vapor

de la caldera para cortar el flujo de vapor. Manómetro de presión de vapor : Indica la presión de vapor en la caldera en libras

por pulgada cuadrada o kilogramos por cm cuadrado.

Figura 19. Manómetro de caldera.

Sifón del manómetro de vapor:  Dispositivo instalado entre el manómetro de vapor y

la caldera para dar un sellado de agua, de modo que el vapor vivo no entre en el manómetro produciendo una falsa lectura o daño al mismo. Conexión y grifo de inspección y prueba del manómetro : Proporciona la conexión

necesaria para comprobar la precisión del manómetro de presión de vapor de la caldera. Columna de agua: Es el dispositivo en fundición o acero forjado hueco conectado a

la parte superior de la cámara de vapor de la caldera y a la parte superior del espacio de agua. EI nivel de agua de cristal y los grifos de prueba de agua están instalados en la columna. Indicador de nivel:  Sirven para mostrar el nivel de agua en la caldera y sus

principales objetivos son: Seguridad: evitar que los tubos internos (por donde pasan los gases calientes) queden expuestos por un nivel bajo de agua, con la consecuente alza de temperatura y presión, pudiendo llegar a producirse una explosión. Eficiencia: evitar que se arrastre agua junto con el vapor que se toma para el proceso, por un nivel muy alto de agua.

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Figura 20. Indicador de nivel .

Grifos de prueba del nivel de agua:  Sirven para comprobar el nivel de agua en la

caldera; cuando debería estar fuera de servicio temporalmente el nivel de vidrio. Válvula de drenaje bajo la columna de agua y dispositivo de corte de combustible  por bajo nivel de agua:  Proporciona un media para nivelar diariamente bajo la

columna de agua y controlar el nivel de agua para mantener limpias la cámara y líneas de modo que el agua se controle y certifique con precisión en el cristal. También proporciona un medio de probar el dispositivo de corle por bajo nivel de agua. Placa de características : El número de serie y modelo identifican a la caldera y se

utilizan para pedir recambios al fabricante y para el registro de la caldera.

Figura 21. Placa característica.

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Figura 22. Accesorios de una caldera.

3.2.4 Comportamiento de emisiones de gases de combustión de generadores de vapor para diferentes relaciones combustible/aire. Las relaciones aire/combustible deben mantenerse a un nivel tan bajo como sea posible con el fin de ahorrar combustible. Sin embargo, a no ser que se utilice exceso de aire en la cámara de combustión, puede tener lugar una combustión incompleta, que también malgastara combustible, pudiendo haber riesgo de explosión por ignición retardada en el hogar del combustible no quemado. Para asegurar una combustión completa, debe suministrarse exceso de aire en cantidades que varían entre el 20 y el 30 por ciento, dependiendo del combustible utilizado, la carga de caldera y su configuración. El exceso de aire esta también influido por las necesidades de controlar las emisiones de  y 0 . Los analizadores de combustión que usan técnicas de absorción infrarro ja son utilizados para las lecturas de CO y , que pueden alimentar a un controlador con señales de entrada actuando sobre el grado de carga de la caldera. Los conceptos de retroalimentación se utilizan para controlar automáticamente las compuertas de aire en función de la carga, mientras el controlador también varía la relación entre la compuerta de aire y la válvula de combustible a medida que la tasa de combustión varía con la carga. EI sistema se denomina control automático del bucle a la de combustión de la caldera. Como puede observarse, su objeto fundamental es mantener una relación constante aire/combustible. EI rendimiento de la caldera también puede estar afectado por una transferencia de calor pobre debida a depósitos de hollín o a depósitos de cal en el lado de agua de la caldera. Por otra parte, una monitorización seguida a intervalos fijos del 27

combustible consumido en BTU (kcal) versus carga en BTU (kcal), es otro método de comprobación del rendimiento general de la caldera. EI análisis de las medidas de los gases de combustión puede utilizarse para calcular el peso de aire utilizado por kilogramo de combustible quemado según la siguiente ecuación:  =

28

  −  

12( + )(0.769)  × 100

 =  Porcentaje de dióxido de carbono en los gases de combustión en

volumen.  = Porcentaje de monóxido de carbono en lo gases de combustión en volumen.  = Porcentaje de nitrógeno en los gases de combustión en volumen.  = Peso del combustible quemado en lb (kg).  = Contenido de carbono del combustible que se obtiene en un análisis final.  = Porcentaje de carbono no quemado de las cenizas y del rechazo.  =  Peso en Ib (kg) de cenizas y del rechazo del combustible quemado ( ).  = Peso real del aire en Ib (kg) por lb (kg) de combustible quemado.

3.3

Características del vapor saturado y sobrecalentado y sus aplicaciones.

Si es agua es calentada más por sobre su punto de ebullición, esta se convierte en vapor, o agua en estado gaseoso. Sin embargo, no todo el vapor es el mismo. Las propiedades del vapor varían de gran forma dependiendo de la presión y la temperatura la cual está sujeto.

3.3.1 Características del vapor saturado y como se genera. El vapor saturado se presenta a presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el agua (liquido) pueden coexistir juntos. En otras palabras, esto ocurre cuando el rango de vaporización del agua es igual al rango de condensación. Una vez que empieza la ebullición, el aumento de temperatura s e detiene hasta que se evapora todo el líquido. Es decir, si la presión se mantiene constante, durante el proceso de cambio de fase la temperatura también lo hará. Durante un proceso de ebullición, el único cambio observable es un gran aumento en el volumen y una disminución constante en el nivel del líquido como resultado de una mayor cantidad de éste convertido en vapor. Casi a la mitad de la evaporación, el cilindro contiene cantidades iguales de líquido y vapor. Conforme continúa la transferencia de calor, el proceso de evaporación continuará hasta evaporarse la 28

última gota de líquido. En ese punto el cilindro está lleno de vapor, el cual se halla en el borde de la fase líquida. Cualquier cantidad de calor que pierda este vapor hará que se condense (cambio de fase de vapor a líquido). Un vapor que está a punto de condensarse se llama vapor saturado.

Ventajas de usar vapor saturado para calentamiento El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una gran fuente de calor, particularmente a temperaturas de 100 °C (212°F) y más elevadas. Algunas de estas son: Propiedad Calentamiento equilibrado a través de la transferencia de calor latente y Rapidez La presión puede controlar la temperatura

Ventaja Mejora la productividad y la calidad del producto

La temperatura puede establecerse rápida y precisamente  Area de transferencia de calor requerida es Elevado coeficiente de transferencia de menor, permitiendo la reducción del costo inicial calor del equipo Se origina del agua Limpio, seguro y de bajo costo

Figura 23. Calor saturado y sobrecalentado.

3.3.2 Características del vapor sobrecalentado y como se genera El vapor sobrecalentado se crea por el sobrecalentamiento del vapor saturado o húmedo para alcanzar un punto mayor al de saturación. Esto quiere decir que es un vapor que contiene mayor temperatura y menor densidad que el vapor saturado en una misma presión. El vapor sobrecalentado es usado principalmente para el movimiento-impulso de aplicaciones como lo son las turbinas, y normalmente no es usado para las aplicaciones de transferencia de calor.

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Ventajas de usar vapor sobrecalentado para impulsar turbinas: 



Para mantener la sequedad del vapor para equipos impulsados por vapor, para los que su rendimiento se ve afectado por la presencia de condensado Para mejorar la eficiencia térmica y capacidad laboral, ej. Para lograr mayores cambios en el volumen especifico del estado sobrecalentado a menores presiones, incluso a vacío.

3.3.3 Aplicaciones de vapor saturado y sobrecalentado. El vapor saturado es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor. El vapor se utiliza en multitud de procesos industriales difícil de señalar de un vistazo, pues interviene en procesos físicos, químicos entre otros, en la obtención de múltiples elementos. También es el método más efectivo y de menor costo para esterilizar la mayoría de los objetos de uso hospitalario, mediante autoclaves. Se utiliza el vapor saturado a presión atmosférica en la hidrodestilación, que son procesos donde por ejemplo: se obtiene el aceite e sencial de una planta aromática, en labores de limpieza con vapor, en la pasteurización de alimentos y bebidas, en sistemas de calefacción central urbana, etc. 30

Se obtiene para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque también se ha usado el vapor saturado, el sobrecalentado tiene ventajas, así que se usa en locomotoras de vapor (con muy pequeño grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generación eléctrica en centrales termoeléctricas, tanto convencionales como nucleares llamadas ciclos combinados. También se utilizan en varios procesos industriales como por ejemplo el de secado de la madera, destilación, obtención del coke etc.

Figura 24. Ciclo combinado.

3.3.4 Efectos del vapor saturado y sobrecalentado El vapor sobrecalentado es ventajoso tanto como para suministro así como para la descarga de vapor mientras que se encuentre en el estado de sobrecalentamiento ya que el condensado no se generara dentro del equipo impulsado por vapor durante una operación normal, minimizando así el riesgo a daños ocasionados por la erosión o la erosión acido carbónica. Además, como la eficiencia térmica teórica de la turbina es calculada del valor de la entalpía a la entrada y a la salida de la turbina, incrementando el grado de sobrecalentamiento así como la presión incrementa la entalpía a la entrada de la turbina, y es por lo tanto efectiva al mejorar la eficiencia térmica. En el vapor saturado, l a eficiencia de calentamiento se puede ver reducida si se usa un vapor diferente al vapor seco para los procesos de calentamiento. Contrario a la percepción común, virtualmente no todo el vapor generad o en una caldera es vapor 31

seco, si no vapor húmedo, el cual contiene algunas moléculas de agua no vaporizadas. La pérdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se condense. Por lo tanto el vapor húmedo generado se vuelve aún más húmedo, y también se forma más condensado, el cual debe ser removido al instalar trampas de vapor en las locaciones apropiadas. Condensado el cual es más pesado caerá del flujo de vapor y puede ser removido a través de piernas de condensado y trampas de vapor. Sin embargo, el vapor húmedo que es arrastrado reducirá la eficiencia de calentamiento, y deberá ser removido por medio de estaciones de separación en el punto de uso o en la distribución. El vapor que incurre en pérdidas de presión debido a exceso de fricción en la tubería, etc., podría resultar también en su correspondiente perdida en temperatura.

3.4

Gases y emisión de partículas a la atmósfera. Nociones de carburación, medición y control de emisiones

3.4.1 Carburación Carburar, consiste en proporcionar una elección de componentes (aguja, laminas, difusor, etc.), al carburador que nos entregue una mezcla correcta de aire gasolina, es decir, que no sea pobre (falta de gasolina) o rica (exceso de gasolina). La carburación es la formación de carburos metálicos en un material como resultado de la exposición a una atmósfera que contiene carbono. En algunos casos, los materiales se carburizan intencionalmente para impartir una alta dureza superficial y resistencia al desgaste. Sin embargo, en servicio, puede dar como resultado la pérdida de propiedades mecánicas a lo largo del tiempo además del desperdicio del material. El proceso de corrosión denominado "Metal Dusting" es un proceso de carburación que produce un ataque superficial y la formación de un residuo en polvo. Los ambientes de carburación se encuentran comúnmente en tuberías de proceso y tubos de hornos que contienen un exceso de especies que contienen carbono que incluye gases de hidrocarburo o monóxido de carbono. Las tuberías de pirolisis en plantas de etileno y olefinas son ejemplos principales de equipos que deben diseñarse para resistir la carburización grave.

3.4.2 Medición Los sistemas de medición de emisiones a la atmosfera están constituidos por el conjunto de métodos que tienen como objetivo analizar cuantitativamente los contaminantes presentes en el flujo de gases generados en instalaciones y procesos. En instalaciones industriales, la medición de emisiones a la atmosfera se realiza tanto para verificar el cumplimiento de la normativa como para determinar, entre otros parámetros, las alteraciones que se puedan producir en los procesos de fabricación.

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El análisis de combustión involucra la medición de concentraciones de gas, temperaturas y presión para ajustes de la caldera, verificaciones de emisiones y mejoras de seguridad. Los parámetros que se examinan comúnmente son: • • • • • • •

Oxígeno (O2) Monóxido de carbono (CO) Dióxido de carbono (CO2) Temperatura del gas de escape Temperatura del aire de combustión suministrada Borrador • óxido nítrico (NO)

Dióxido de nitrógeno (NO2) • Dióxido de azufre (SO2) En los últimos años, instrumentos electrónicos como el Analizador de combustión CA-CALC ™ de TSI Incorporated ( figura 25) han sido desarrollados para analizar la combustión rutinariamente para ajustes, mantenimiento y monitoreo de emisiones. Estos instrumentos son extractores. Quitan una muestra de la pila o conduzca con una bomba de vacío y luego analice la muestra usando sensores electroquímicos de gases. Termopares se utilizan para medir la temperatura del aire de la chimenea y se utiliza un transductor de presión para la medición del proyecto. Una computadora de a bordo realiza los cálculos de combustión comunes, eliminando la necesidad de usar tablas o realizar cálculos tediosos. Los instrumentos electrónicos muestran los resultados de los ajustes de la caldera en tiempo real y brinde información más precisa para ayudar a garantizar que un sistema ha sido ajustado correctamente

Figura 25. Monitor de combustion.

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3.4.3 Control de emisiones Las regulaciones gubernamentales sobre emisiones de 0  y   han impulsado el crecimiento de nuevos sistemas de combustión, así como la nueva instrumentación y controles electrónicos para mantener las relaciones aire/combustible y emisiones dentro de las restricciones jurisdiccionales. Otro objetivo es incrementar la tasa térmica por monitorización de los combustibles en el gas, porque la mezcla pobre de aire y combustible en el quemador y en el hogar da como resultado la formación de monóxido de carbono no quemado en los gases de combustión. Los analizadores de 0  pueden medir el porcentaje de 0  en los gases de combustión; esto permite el ajuste fino del proceso de combustión para obtener la mejor relación aire/combustible, aumentando así el rendimiento de la combustión. El a nalizador de 0  más corrientemente utilizado es la unidad de óxido de zirconio, que consta de una sonda y una unidad eléctrica. La sonda de óxido de zirconio, construida en acero inoxidable, comprende un filtro de polvo cerámico, un limitador de llama, una celda detectora, una celda calefactora y un termopar. Un conductor flexible conecta la sonda a la unidad electrónica en la que se sitúan un sistema de transmisión, el control con circuitos del calentador de la sonda y una bomba de aire.  Analizadores de gases de combustión. El analizador portátil de Ors at, mostrado en la Figura 22, se usa para determinar los porcentajes en volumen de dióxido de carbono, oxígeno, monóxido de carbono y nitrógeno en los gases de combustión. Un análisis más completo debe incluir los porcentajes de hidrogeno e hidrocarburo que puedan aparecer en los gases de combustión. Sin embargo, la combustión de hidrogeno produce vapor de agua que no aparece en u n análisis de gases secos en los gases de combustión. EI mecanismo básico del aparato de Orsat se compone de unas botellas que contienen diferentes soluciones químicas para absorber los diferentes gases de la combustión. Por ejemplo, el dióxido de carbono es a bsorbido por la botella que contiene potasa caustica; el oxígeno, por la botella que contiene ácido pirogálico; y el monóxido de carbono, por la que contiene una solución acida de cloruro de cobre. EI porcentaje de nitrógeno se obtiene por sustracción de 100 de la suma de los otros gases. Los operadores deberán se guir las instrucciones que se suministran normal mente para este tipo de instrumentos. Su objetivo fundamental es ajustar las relaciones aire/combustible.

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Figura 26. Aparato de Orsat usado para analizar los gases de la combustión.

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Resumen Las calderas de vapor son aparatos en los que se hace hervir agua para producir vapor. El calor necesario para caldear y vaporizar el agua pude ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Las calderas de vapor se dividen principalmente en dos grupos las pirotubulares y las acuotubulares. Las calderas pirotubulares son aquellas en las que los humos de la combustión circulan por el interior de los tubos y el agua por el exterior, mientras que las acuotubulares el agua circula por el interior de los tubos y los h umos de combustión por el exterior de estos. Las calderas tienen diferentes diseños y accesorios que son indispensables para su buen funcionamiento y estos se definieran dependiendo del uso o aplicación que tenga la caldera. Para poder instalar una caldera de la manera adecuada se deben tomar en cuenta las características físicas y operativas de cada una de ellas; estas características las podemos encontrar o son proporcionadas por los fabricantes de generadores. Es muy importante tomar en cuenta ciertos criterios para la instalación porque pueden ocurrir daños y hasta una explosión. Se tienen diferentes tipos de combustibles con los cuales nosotros podemos poner a trabajar a una caldera, cada uno de estos combustibles se utilizan para diferentes aplicaciones y es muy importante ver la emisiones de estos combustibles al momento de hacer combustión debido a que se tienen normas establecidas de las cuales no se puede pasar y por lo tanto se tienen equipos de medición y de control de emisiones. Los cambios de temperatura y presión hacen que las propiedades del vapor cambien y cada uno de estos vapores tiene distintas aplicaciones ya que no son los mismos. En las calderas encontramos el vapor saturado y el sobrecalentado que tienen algunas ventajas en ciertas aplicaciones. Para el control de emisiones de gases nocivos producidos debido a la carburación son medidos con aparatos de control y medición como el aparato de Orsat que es un analizador de gases en la combustión, esto nos permitirá saber que gases y la cantidad que emitimos para poder regularlos a las emisiones establecidas por las normas.

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Conclusión Debido a la creación de industrias que manejan procesos de tran sferencia de calor, hubo la necesidad de exigir un equipo generador de vapor, es el caso de una caldera, hornos, etc. Una caldera es un recipiente cerrado en el cual el agua se evapora por la aplicación de calor constantemente, también realiza con la máxima eficiencia posible la transferencia de calor. Para seleccionar una caldera hay considerar ciertos parámetros según se requiera el uso de ella, la caldera requiere del cambio de quemadores de aceite a gas y viceversa para disminuir costos operacionales, minimizar daños en la caldera y ahorrar energía. Para tener un buen desempeño y funcionamiento en una caldera es necesario realizar una serie de prueba, una de ellas es la prueba de los deshollinadores que se hace antes de poner la caldera en servicio para constatar el funcionamiento de los deshollinadores, también se tiene que contar con los acce sorios necesarios para que esta opere de manera correcta y segura. Para que una caldera pueda operar se tienen que cumplir ciertos límites gubernamentales para la emisión de gases contaminantes que se dan durante el proceso de la combustión, para esto se utilizan elementos analizadores para controlar la relación aire/combustible.

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