Informe Caldera Final

INTRODUCCION: La caldera de vapor es un elemento indispensable en la gran mayoría de las Plantas Industriales Químicas (además de en otros sectores de la industria). Esto es por las innegables ventajas técnicas y económicas que ofrece el vapor de agua como agente de calefacción: desde la facilidad de obtención y manejo de la materia prima de partida, el agua (es inocua e incombustible), hasta las óptimas propiedades físico-químicas del vapor de agua (el calor latente de condensación del vapor de agua es el mayor que se conoce). Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: •

Realizar correctamente el protocolo de encendido y apagado de la caldera pirotubular horizontal de dos pasos.

•

Reconocer la importancia del mantenimiento de la caldera, para evitar posibles fallas y riesgos que se puedan presentar en su funcionamiento.

MARCO TEORICO:  CLASIFICACION Las calderas se clasifican por su diseño en pirotubulares o acuatubulares. Sin embargo, pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por el tipo de materiales de que están construidos, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presión con que operan o por el fluido portador de calor que emplean, etc. Según su Uso

OBJETIVOS GENERALES: •

•

Adquirir conocimiento del funcionamiento, utilidad, sistemas de control y seguridad de las calderas a nivel industrial.

Identificar las partes caldera y su funcionamiento.

de una correcto

Estacionarias (Locomotoras)

(calefacción),

móviles

Según los Materiales Fuertes: acero especiales , Calefacción: Hierro colado. Según disposición de los Fluidos Pirotubulares , acuatubular Según el Combustible

Liquido , sólido, gaseoso Según Forma y Posición de los Tubos Según la Combustión Fuego , nuclear , eléctrica Según La Potencia Baja (150 Tn/h) Rectos ,Curvos ,Horizontales, Verticales, Inclinados •

ACUOTUBULARES

Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea. Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor,

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación. aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases. Cuando se requieren presiones superiores a 300 Psi se hace indispensable la utilización de las calderas acuatubulares aun cuando pueden operar dese de 120 Psi en adelante. El intervalo de presiones de operación es de 0-2200 Psi. Las capacidades de estas calderas se acercan a los 10 millones de libras por hora. Pueden ser puestas en marcha rápidamente aunque tienen desventajas como mayor tamaño y peso, mayor costo y debe ser alimentada con agua de gran pureza.

Fig. 1 Caldera Acuotubular •

PIROTUBULARES

En este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al

contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea. Las presiones de operación van de 0300 Psi aunque las más comunes son de 150 Psi y 250 Psi aun cuando pueden trabajar a presiones más bajas. A demás Son de bajo costo ya que su fabricación es muy sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos, líquidos y sólidos Algunas ventajas es que tienen menores exigencias de pureza en el agua de alimentación y son pequeñas y eficientes. Encontramos inconvenientes como que necesitan mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento y no son empleables para altas presiones.

Los componentes fundamentales del dispositivo caldera, son: • Agua de alimentación Es el agua de entrada en el sistema, generalmente constituye agua de pozo o agua de red. Esta agua se almacena en una cámara la cual se diseña de manera que el nivel del agua sobrepase a los tubos o conductos que contienen los gases de combustión. Esto se hace con el objetivo de que los gases de combustión transfieran parte de su energía al agua de alimentación, y así se acelere su conversión en vapor. El agua no debe utilizarse directamente en una caldera. El agua debe ser tratada químicamente mediante procesos de descarbonatación o ablandamiento, o desmineralización total, adicionalmente, según la presión manejada por la caldera, es necesario controlar los sólidos suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material orgánico, gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la caldera sufrirá problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por material particulado, etc. •

Agua de condensado

Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. •

Vapor seco

Vapor de óptimas condiciones. Se almacena en una cámara, separado del agua en suspensión que aún no ha sufrido evaporación. •

Fig. 2: Caldera Pirotubular  CONSTITUYENTES CALDERAS:

DE

LAS

Vapor húmedo

Vapor con arrastre de espuma proveniente del agua de alcalinidad elevada.

•

Condensador

Sistema que permite condensar el vapor formado por el sistema. •

A continuación se muestran los diferentes tipos de combustibles; algunos de ellos utilizados para la combustión en calderas.

Desaireador

Es el sistema que expulsa los gases de combustión a la atmósfera. • Purga de fondo Evacuación de lodos y concentrado en el fondo de la caldera, por ejemplo: residuos sólidos provenientes de agua "dura". •

Purga de superficie

Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera. •

Estanque de acumulación

Es el estanque de distribución de vapor. •

acumulación

y

Fogón u hogar

Sección que se encuentra en contacto directo con la flama. •

Fuego

El proceso de combustión es de gran importancia en la operación de las calderas, debe ser lo más optimo posible en cuanto a su consumo y además amigable con el medio ambiente. Para que se dé el proceso de combustión es necesario que exista un combustible, un comburente (aire) y un agente externo que produzca la ignición (chispa), cuando esto ocurre se da una reacción química del combustible con el oxigeno, para producir gases de combustión y liberar energía en forma de trabajo y calor, la cual es aprovechada en las calderas para evaporar el agua.

Superficie de intercambio de calor La tubería por la que circulan los gases en las calderas pirotubulares o el agua en las acuatubulares es fundamental para una eficiente transferencia de calor. De la buena combustión y tratamiento de agua, así como de las características físicas del material de intercambio de calor depende que el flujo de energía de los gases de combustión hacia el agua sea lo más eficiente posible.  PÉRDIDAS DE CALOR El sistema caldera, puede tener pérdidas por radiación, convección y por purga. Las pérdidas por radiación las constituyen el calor que se escapa a través de la superficie de las paredes. Cuando se disipa calor por medio de fluidos con distinta temperatura se denomina convección. Las pérdidas por purga están constituidas por el calor que escapa al eliminar los sólidos o impurezas disueltos en el agua, y que se han acumulado dentro de la caldera.  EFICIENCIA DE CALDERA Corresponde al porcentaje o razón de la cantidad de vapor producido en una caldera a partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de una caldera,

es la relación entre la energía absorbida para la evaporación o generación de vapor (Q salida) y la suma de energías introducidas al proceso (Q entrada).

Eficiencia = Q salida / Q entrada El diferencial entre ambos, es la energía perdida del proceso (calor expulsado a la atmósfera). Pérdida = Q entrada - Q salida Una caldera, en términos genéricos, es un intercambiador de calor ya que por un lado se adiciona fuego y gases de combustión y por el otro lado agua que se calienta y evapora. La eficiencia de la caldera, es la eficiencia del proceso de intercambio de calor.

 INCONVENIENTES Los problemas más comunes encontrados en las calderas son: Incrustaciones Corrosión Fragilización caustica Oxidación Arrastre Formación de espuma Contaminación del vapor Contaminación del condensado Formación de lodos Alta presión en el cabezal Mala transferencia de calor CONTROLES PARA SEGURIDAD

MANEJO

Y

Controles para manejo y seguridad de agua. Controles para manejo y seguridad de combustible. Controles para manejo y seguridad en la atomización aire-vapor. Controles para manejo y seguridad aire combustión. Controles para manejo y seguridad de llama. Controles para manejo y seguridad de tanques de condesados. Controles para manejo y seguridad en el tanque diario de combustible.

Control para seguridad de gas en chimenea. Control para manejo y seguridad de vapor de la caldera. Control para manejo y seguridad ignición a gas o acpm. Válvulas de seguridad. Purgas.  APLICACIONES Se emplea principalmente para proporcionar energía en forma de vapor, sin embargo, existe un amplio número de aplicaciones en las que la formación de vapor es incidental para un proceso químico; por ejemplo la unidad de recuperación química en la industria papelera, un calentador de monóxido de carbono en una refinería de petróleo o una caldera de calor residual para gas de enfriamiento en un horno de hogar abierto. En una planta industrial no es extraño que las calderas industriales sirvan para muchas aplicaciones; por ejemplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperación química se emplea para convertir el licor negro en sustancias químicas útiles y de esta manera generar vapor para el proceso. Las calderas industriales queman petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y/ó subproductos. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como: •

Esterilización.

•

Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los crudos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.

•

Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

ESTUDIO CALDERA PIROTUBULAR LABORATORIO DE PROCESOS Características:  Capacidad: 30 BHP  Presión de Diseño: 150 psi, se trabaja máximo a 100 psi  Combustible: Fuel oil 2 o Gas  Caldera pirotubular  Automática o manual  Dual (2 pasos)  Temperatura de los gases de chimenea 190-210 °C.  Recubrimiento de 5 cm de lana de vidrio. Para que la caldera correctamente se requiere elementos fundamentalmente: • • •

funcione de tres

Fig. 3: Caldera vista frontal  SISTEMA DE SUMINISTRO DE AGUA: TANQUE DE APROVISIONAMIENTO: Esta ubicado en la parte superior el cual le proporciona el agua necesaria a la caldera.

Agua Combustible ( gas natural) Electricidad

El cuerpo de la caldera ubicada en el laboratorio de procesos está formado por un cilindro horizontal, con un paquete multitubular interno de transferencia de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor. La circulación de gases se realiza desde la cámara frontal hasta la cámara posterior, donde se encuentra una salida de humos. El acceso de los gases se realiza mediante puertas abisagradas en la cámara frontal y en la posterior. El acceso de el agua, se efectúa a través de tuberías de gran diámetro que van a la parte superior del cuerpo y a la parte inferior para facilitar la limpieza y evitar la acumulación de lodos. La caldera completa, con accesorios se situa sobre un soporte firme.

Fig 4: tanque de almacenamiento superior TANQUE DE TRATAMIENTO: Es un lecho fijo empacado con intercambio ionico el cual se encarga de suavizar el agua para garantizar el agua de entrada en la caldera. También usado retirar lodos, dureza y otros contaminantes del agua de alimentación.

Fig 7 : Bomba tipo aurora Fig 5: tanque suavizador. TANQUE DE ALMACENAMIENTO: Despues que el agua fue tratada en el tanque suavizador pasa a este tanque el cual consta de un termómetro, dos válvulas de paso y un sensor de nivel.

VALVULAS DE CHEQUE: Estas permiten el flujo del agua en una sola dirección solo admiten el paso del agua de la bomba tipo aurora además evita la cavitación de la bomba. Mc DONNELL: Es un controlador de nivel de agua de una caldera el cual consta de un flotador interior que controla el nivel de agua y unas válvulas aireadoras que mantienen la presión en la caldera.

Fig 6 : Tanque de almacenamiento. BOMBA TIPO AURORA: Esta bomba repone el agua consumida manteniendo el nivel mínimo requerido por la caldera esta es la encargada de transportar el agua desde el tanque de almacenamiento hasta la cámara de agua de la caldera. Es una bomba de baja velocidad y alta presión, especial para el tipo pirotubular.

Fig 8: Mc DONNELL SISTEMAS DE PURGA: Estos son los encargados de la evacuación de lodos, para que se efectue esto es necesario abrir estas válvulas alrededor de 10 segundos.

 SISTEMA DE COMBUSTION: El sistema de combustión está compuesto por elementos funcionales indispensables para una óptima operación de flujo del combustible a la zona de quema a condiciones especiales de temperatura y presión. El sistema del quemador está formado por: VÁLVULAS DE PASO: El suministro de gas tiene dos líneas, una que proporciona el combustible al quemador (alta presión) y la otra a la llama piloto (baja presión).

Fig 11. Valvula hidromotor DAMPER: Compuerta utilizada para la regulación del paso de aire; es manejado mecánicamente por el motor modulador garantizando que la caldera no encienda en una posición distinta a bajo fuego de lo contrario provocaría explosiones en el encendido por exceso de aire y combustible (encendido brusco).

Fig 9: válvulas de paso. VASTAGO: Es el encargado de la regulación o paso del combustible al quemador.

Fig 12 : dámper. TURBINAS: Son las encargadas de generar el aire utilizado en la combustión.

Fig. 10: vástago VALVULA HIDROMOTOR: es una válvula de apertura rápida y cierre rápido y su función es dejar pasar el gas hacia el hogar.

Fig 13. Turbinas FOTOCELDA: accesorio eléctrico para control de la llama.Es un sensor que

inicialmente detecta si hay llama piloto y da paso al encendido de la caldera.

Fig 17.Camara de gases. Fig 14. Fotocelda de color azul

MEDIDOR DE PRESIÓN: Registra la presión en la que se encuentra trabajando la caldera.

HOGAR: Lugar donde se desarrolla la combustión.

Fig 18. Medidor de presión. Fig.15 hogar

VISOR DE LLAMA: Permite observar si hay llama piloto.

TRANSFORMADOR: Por medio de energía eléctrica y una bujía conectada al transformador generamos una chispa para así producir la llama piloto.

Fig 16. Transformador.  OTROS EQUIPOS: CHIMENEA: Ducto de salida de los gases de combustión.

Fig 19. Visor de llama PRESÓSTATO : Es el encargado de controlar el diferencial de presión de la caldera respecto al tiempo. Por tal razón

la caldera se apaga durante un tiempo mientras su presión disminuye hasta un punto donde vuelve a ser encendida automáticamente. El Presóstato cuenta con una ampolla de mercurio que permite medir la presión. La ampolla es calentada con una resistencia eléctrica que hace desplazar el mercurio. Al alcanzar las 100 libras de presión, el movimiento de la ampolla alcanza su punto máximo y la caldera se apaga. Mientras la presión desciende, un resorte actúa elevando la ampolla hasta alcanzar el diferencial. En el momento en que se ha alcanzado el diferencial, el resorte se encuentra elongado y se enciende nuevamente la caldera. La caldera opera a 100 psi, el diferencial de presión es de 15 psi y se da entre 5 y 15 minutos. Así, cuando la caldera alcanza 100 libras se apaga automáticamente, y cuando el medidor de presión del controlador llega a 85 psi, la caldera se enciende nuevamente.

Fig 21. Tablero de control.

Fig 22. Selectores.

Fig 20. Presóstato TABLERO DE CONTROL: El control automático consiste en medir, comparar, y accionar las variables de proceso. Para tal fin la caldera cuenta con un tablero principal de control, compuesto por sistemas electrónicos. Para el caso de la caldera del laboratorio, es el mismo lugar donde se realiza el encendido y apagado. En caso de falla el sistema indica al operario el tipo de falla por medio de bombillos dispuestos en la parte frontal del tablero.

VÁLVULA DE PASO DE VAPOR SATURADO: Es la válvula de paso de vapor saturado hacia los demás equipos que requieran vapor de la caldera.

Fig 23. Valvula de paso de vapor.

PROCEDIMIENTO: Protocolo de encendido

 MANTENIMIENTO CALDERA

DE

LA

Diariamente: • Verificar: •

Nivel de agua, combustión.

•

Purga: Caldera, indicadora

•

Tratar el agua

•

Relacionar

•

Temperatura combustión

•

Presión y temperatura del aceite combustible

PROTOCOLO DE APAGADO El protocolo de apagado tiene el mismo mecanismo que el protocolo de encendido, el cual se debe seguir de manera rigurosa.

del

columna

gas

de

•

Presión del gas

CONCLUSIONES

•

Presión del aire de atomización

•

Temperaturas del suministro y retorno

•

Presión de vapor

agua

• • • • • •

Para el correcto funcionamiento de la caldera, es necesario realizar las respectivas purgas, así como estar verificar que todas las válvulas necesarias estén abiertas.

•

Es necesario que las calderas consten de un sistema de control, para así prevenir riesgos futuros.

•

El protocolo de encendido y apagado, es uno de los pasos más importantes en cuanto a seguridad se refiere, ya que es ahí, donde se comienza un buen funcionamiento de la caldera.

•

La dureza del agua con la que trabaja la caldera, afecta en gran parte el funcionamiento de ésta, es por eso que es necesario que el aguan pase antes por un proceso de suavizado, para disminuir su dureza.

de

Semanalmente: • •

•

Verificar Adecuado cierre de válvula combustible Conexiones de aire y combustible Luces indicadoras y alarma Controles limitadores y de operación Controles de seguridad y conexiones Filtraciones, ruido, vibraciones, condiciones anormales, etc.

Mensualmente: • • • • • • • •

Inspeccionar: Quemador, fugas de gases de combustión, puntos calientes. Verificar Adecuado cierre de la válvula de combustible Filtraciones de aire o combustible Luces indicadoras y alarmas Controles de seguridad y conexiones Filtraciones, ruido, vibraciones, condiciones anormales, etc. Condiciones de combustión

• La importancia del mantenimiento de las calderas ya que existen industrias o servicios, que quedarían colapsados por una falla en la caldera hasta el punto de llegar a parar su producción, y su reparación o sustitución podría representar un costo considerable en su presupuesto, por lo que es esencial que la caldera opere en óptimas condiciones.

Anualmente: Inspeccione la superficie interior del recipiente – Limpie: • Superficies del fogón • Conductos

•

Identificamos correctamente las partes de una caldera, aplicando adecuadamente el protocolo de encendido y apagado de la caldera pirotubular. Además de aprender cuales son los

elementos fundamentales en la caldera para su normal funcionamiento. BIBLIOGRAFIA •

UNIVERSIDAD DE BURGOS. Manual de calderas industriales [en línea]. [citado el 3 de abril de 2011]

•

CABALLERO, JOSE L. tipos de calderas industriales [en línea]. [citado el 3 de abril de 2011]

•

QUIMINET. ¿Qué es una caldera? [enlínea]. [citado el 4 de abril de 2011]

•

CALDERA http://www.emc.uji.es/asignatura/ obtener.php? letra=3&codigo=59&fichero=1086 018838359

•

SEGURIDAD EN CALDERAS http://www.statefundca.com/safet y/safetymeeting/SafetyMeetingArti cle.aspx?ArticleID=147

PRACTICA N° 2 CALDERA

PRESENTADO POR: JUAN CARLOS CARDOZO GUALDRON

2070655

NOEL GALVIS RUEDA 2053393 IVETH YOHANNA BARRERA CRISTANCHO 2063296 GRUPO: A1

DOCENTE: ING. LUIS MARIANO IDARRAGA BERNAL

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE FISICOQUIMICAS INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE PROCESOS BUCARAMANGA 2012