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PREINFORME PRÁCTICA N°3: CALDERA PRACTICE N°3: BOILER L. L. Aguilera-Santamaría1, L. N. Arias-Arévalo2, E. F. Forero-Alarcón3, L. A. Gómez-Gómez4, L. F. LizarazoFonseca5,* 1
Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química, Cód. 2090750 Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química, Cód. 2100423 3 Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química, Cód. 2104682 4 Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química, Cód. 2102458 5 Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química, Cód. 2102418 2
* Email:
[email protected], Cel. (300) 276 3436 Fecha de entrega: 29 de Octubre de 2014
1. Introducción El sector industrial debe sus actividades a la energía que se le proporciona a su maquinaria para que pueda funcionar. Así, esta energía suele ser en forma de calor cedida del vapor generado por una caldera. El vapor utilizado se obtiene mediante una transferencia de calor a presión constante, en el que el fluido inicialmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase. El principio básico de funcionamiento de una caldera es la combustión, donde el gas se quema y el calor es transferido al fluido de trabajo. En la industria se pueden encontrar dos tipos de calderas teniendo en cuenta la forma en cómo se distribuyen los fluidos, las acuotubulares y las pirotubulares. En las primeras el fluido a calentar (fluido de trabajo) se hace pasar por los tubos del intercambiador de calor que se encuentran al interior de la caldera, mientras que en el otro tipo; el fluido que calienta es el que va por los tubos. El fluido que suele utilizarse en las calderas es el agua y dentro de las principales aplicaciones de éste equipo
están la esterilización, calentamiento de fluidos para mejorar su fluidez y la generación de electricidad [1]. La práctica de laboratorio consiste principalmente en comprender y conocer a detalle el funcionamiento de la caldera con que cuenta la escuela en el laboratorio, la cual es de gran importancia porque es la fuente de donde se obtienen los vapores a utilizar en las diferentes prácticas a realizar en el mismo. 2. Objetivos 2.1 General - Aprender el funcionamiento en detalle de la caldera provista en el laboratorio de la Escuela de Ingeniería Química. 2.2 Específicos - Identificar las partes de la caldera y la interacción de éstas para una óptima operación. - Aplicar el correcto protocolo de manipulación de la caldera, específicamente su prendido y apagado.
“Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad.” Albert Einstein 1
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Reconocer los canales de distribución del vapor generado en la caldera para el suministro del laboratorio. Conocer qué tipo de caldera es y cuáles son los cuidados a tener para su manipulación. Aplicar los conceptos aprendidos en Termodinámica para analizar los resultados obtenidos al manipular el equipo.
3. Marco teórico 3.1 Definición La caldera es una máquina o dispositivo compuesto de un set de intercambiadores, utilizada para generar vapor a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de fase. Dichos vapores generados son implementados usualmente para la calefacciòn de los equipos de una fàbrica, sin tener que recurrir a la presencia de combustiones en diferentes lugares. La transmisiòn de calor al agua se realiza a travès de las paredes del recipiente. Esta transmisiòn esta representada por la siguiente ecuación: 𝑄 = ∪ 𝐴 (𝑇2 − 𝑇1 )
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Dónde: Q: Cantidad de calor que se transmite. ∪: Coeficiente total de transmisión de calor a través de la pared del recipiente. A: Área de la superficie a través de la cual se transmite el calor. 𝑇2 𝑦 𝑇1 : Temperatura a ambos lados de una plancha metálica. Así al calentar un recipiente con agua por medio de una llama exterior o viceversa, la cantidad de calor que se transmite depende, según la ecuación anterior, del coeficiente de transmisión de calor, el área de la superficie que transmite el calor y la diferencia de temperaturas [2].
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3.2 Partes de un caldero Cilindro: Es el cuerpo cilíndrico de la caldera. Debido a la presión interna que soportan, sus extremos son redondeados y conformados por una pieza única forjada, que se suelda en forma perimetral al cilindro. Tubos: Son los ductos por los cuales circula el agua o la llama, según sea el tipo de la caldera. Son hechos de acero de especificaciones especiales y por lo general, se emplean tubos sin costura o, para tubos de poco diámetro como lo son los tubos electro-soldados. Domo: En calderas antiguas, sobre todo en los pirotubulares horizontales, se empleaba una cúpula recolectora de vapor, que es llamada “Domo”. Se observan especialmente en las viejas locomotoras de vapor. Huecos de hombre: Se denominan así, a las tapas elípticas que se ponen en los fondos de los cilindros o la parte baja de las calderas pirotubulares. Sirven para la entrada de un hombre, con el fin de hacer mantenimiento interno a los cilindros, o para montar los tubos a los cilindros, cuando se cambian o se instalan. Nivel de agua: Consiste generalmente en un tubo de vidrio muy fuerte, instalado entre dos tomas a altura diferentes, lo cual permite ver si el nivel del agua se encuentra en el rango de niveles requerido dentro de un caldera. Manómetro: En todos los calderas es indispensable conocer la presión interna en todo momento. Para esto, se conecta al cilindro un manómetro, de modo que entre en contacto con el espacio que contiene vapor. Purgas: En la parte más baja de la caldera se colocan unas válvulas de purga, que permiten descargar por el fondo los fangos que se precipitan durante la operación del caldero. Se establece usualmente como rutina abrir las válvulas una o dos veces por
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día, con la finalidad de producir una corta descarga. Estas válvulas también sirven para la descarga total del agua de la caldera, cuando se ponen fuera de servicio. Pre-calentador de agua: El agua de alimento de la caldera no debe entrar fría, pues el contraste de temperaturas podría causar desequilibrio de la caldera en funcionamiento; por lo tanto la tubería de alimentación de agua se intercala un intercambiador que aprovecha el calor de los gases de combustión o el valor de una pequeña cantidad de vapor, para precalentar el agua. 3.3 Clasificación de las calderas
Según su Vertical, horizontal. configuración Sólido, líquido, gaseoso, Según el nuclear, mixto. combustible Natural, inducido, forzado, Según el tiro balanceado. Manual, automática y Según el tipo semiautomática, de control Según el Vapor, agua caliente, aceite fluido final térmico. Según la pirotubular, acuotubular y distribución humotubulares de los fluidos agua/gases: Tabla 1. Clasificación de los calderos.
Ésta última clasificación estandarizada en la industria.
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la
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3.3.1 Calderas pirotubulares Para este tipo de calderas el fuego pasa por adentro de los tubos. Este diseño se emplea para los calderos de poca capacidad, pero que son más sencillos y poco costosos.
Figura 1. Esquema de una caldera pirotubular
3.3.2 Calderas Acuotubulares En este otro tipo de calderas el agua se encuentra dentro de tubos, que están conectados a uno o más cuerpos cilíndricos. El fuego que toca casi únicamente la superficie externa de los tubos, hace hervir en ellos el agua generando vapor [3].
Figura 2. Esquema de una caldera acuotubular
3.3.3 Calderas humotubulares Este tipo de generador de vapor es llamado así por cuanto los productos de combustión se desplazan por el interior de los tubos que a su vez por transmisión calientan el agua que los rodea contenido en el cuerpo de la caldera. En general son las que se usan en instalaciones de calefacción, tanto central como individual. Los tubos pueden limpiarse y repararse fácilmente debido a que existe accesibilidad de los mismos, por lo general desde el frente de la caldera. Por dicho motivo la reglamentación prevé que debe tener al frente de la misma un espacio de aproximadamente el largo de la caldera para permitir el retiro de los tubos [4].
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- Predictivo Éste mantenimiento en las calderas debe ser una actividad rutinaria, muy bien controlada en el tiempo. Por ello es recomendable realizar algunas actividades ya sea diariamente, mensualmente, semestralmente y anualmente.
Figura 3. Esquema de una caldera humotubular
3.4 Eficiencia de una caldera La eficiencia de una caldera se da en porcentaje, en kilocalorías/hora o en BTU/hora. Una caldera normal puede tener una eficiencia en el orden de 78-80%, mientras que una caldera, que posee un precalentador de agua, precalentador de aire y otros equipos para recuperar o aprovechar mejor el calor, puede llegar a cifras como 87-90% [2]. 3.5 Pérdidas de calor Para poder alcanzar cifras de eficiencia tan altas como las indicadas anteriormente, es necesario evitar una serie de posibilidades de pérdidas de calor, que pueden ser las siguientes: - Humedad en el combustible. - Calor sensible en los gases que escapan por la chimenea. - Combustión incompleta del combustible. - Carbón no quemado en las cenizas. - Formación de hollín en la combustión. - Pérdidas a través de las paredes de la caldera. - Pérdidas en las purgas. - Pérdidas por escapes no controlados de vapor. 3.6 Mantenimiento de una caldera Desarrollar un programa de mantenimiento permite que la caldera funcione con un mínimo de paradas en producción, minimizando así los costos de operación, y permitiendo un funcionamiento seguro de la caldera [5]. El mantenimiento en calderas puede ser de tres tipos: - Correctivo - Preventivo
4. Materiales y Equipos 4.1 Materiales - Fluido de trabajo: Agua, para garantizar un buen funcionamiento de la caldera, el agua de trabajo debe tener una dureza por debajo de 10 ppm. 4.2 Equipos El kit contiene: - Agente valorante (Negro de ericromo T) - Agente titulante (E.D.T.A) - Jeringa de 5 ml - Pipeta - Vaso de 5 ml - Jeringa se toma una muestra - La caldera 5. Aplicaciones en la industria Las calderas son recipientes que trabajan a presión por medio de la transferencia de calor constante, en la cual los líquidos se calientan y cambian de estado. Hay dos tipos de calderas las pirotubulares son las que el líquido se encuentra en un recipiente y es atravesado por tubos por los cuales circulan gases de alta temperatura producto de un proceso de combustión el otro tipo de caldera se llama agua-tubulares son aquellas en las que le fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su calentamiento. Las calderas tienen una gran aplicación en la industria ya que de ella depende muchas industrias como hospitales que las utilizan para esterilizar los instrumentos médicos, también en las petroleras para calentar los petróleos pesados para mejorar su fluidez, en alimentos, lavanderías, textiles etc.
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El agua utilizada en calderas de agua caliente y de vapor (para producir éste), necesita normalmente de un tratamiento previo de descalcificación (suavización), para preservar la vida de la caldera en la que se usen, además de, purgas continuas de lodos y espumas que el proceso genera, lo que deriva en pérdidas de energía. Por otra parte, suele estar a disposición de los usuarios con facilidad y en abundancia. Toda caldera estará equipada con uno o más tubos de desagüe, comunicados con el punto más bajo de la caldera y destinados a las purgas y extracciones sistemáticas de lodos. La descarga de los tubos de purga estará dispuesta en tal forma que no presente peligro de accidentes para el personal y sólo podrá vaciarse al alcantarillado a través de un estanque intermedio de retención o de purgas.
Figura 4. Caldera industrial Este estanque de retención debe reunir las siguientes condiciones: a) Será fácilmente accesible para su inspección y la extracción de los lodos. b) Las tapas o puertas de inspección tendrán un ajuste tal que eviten escapes de vapor. c) El estanque estará provisto de un tubo de ventilación
metálico, con salida al exterior de la sala. d) El diámetro del tubo de escape a la atmósfera debe ser mayor que el diámetro del tubo de purga. e) Llevará una válvula en la parte más baja que permita vaciar toda el agua purgada de la caldera, cuando sea necesario. Otro asunto sobre las calderas industriales es que necesitan de un buen combustible, éstos están caracterizados por un alto poder calorífico, un grado específico de humedad y un porcentaje de materias volátiles y cenizas. Es necesario analizar los combustibles que vamos a utilizar en cada dispositivo, el análisis químico es el que nos permite distinguir los elementos que forman parte del combustible; debe haber una exactitud correcta entre las mezcla “aire-combustible” de lo contrario no sólo puede dañarse la caldera industrial sino que pueden producirse serios accidentes. Es necesario tomar todas las precauciones necesarias antes de manipular estos artefactos como sus fuentes de energía [6]. - Esterilización (tindalización): El calor húmedo que producen las calderas es un método térmico de esterilización y que mata los microorganismos por la coagulación de las proteínas, esto se debe a la acción del vapor de agua saturado a temperaturas mayores a 121ºC. El calor húmedo puede penetrar más rápidamente que el calor seco porque las moléculas de agua conducen mejor el calor que las moléculas de aire. Este proceso es muy económico y al trabajar con vapor de agua no deja residuos tóxicos en los materiales esterilizados.[7] - Generación de electricidad: Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas para generar electricidad a través de un ciclo
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Rankine. Una central termoeléctrica clásica se compone de una caldera y de una turbina que mueve el generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental y en ella se produce la combustión del carbón, fuel o gas. La energía necesaria para mover el rotor del generador, y obtener energía eléctrica, es proporcionada por el vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que en su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas.[8] Industria azucarera: En los procesos de refinado de azúcar se emplean cantidades considerables de calor y electricidad, lo que convierte la caldera en un componente vital del proceso. Las calderas generan vapor que proporcionan calor en los diferentes procesos y para turbinas que accionan los generadores y la maquinaria de los molinos.[9]
[5] Guía de Propiedad Calderas: Programa de Mantenimiento. [En línea]. Disponible en: http://m.segurosbolivar.com/wps/wcm/connect /d7e09e87-6e31-4fd0-b5ecdf199cac04dd/Guia_de_Propiedad_Calderas_Sis tema_de_control_de_combustible_y_mantenim iento.pdf?MOD=AJPERES&CACHEID=d7e09e876e31-4fd0-b5ec-df199cac04dd. [Recuperado el 26 de Octubre de 2014] [6] ACT Andaluces S.A. Funcionamiento y Aplicaciones de Calderas Industriales. [En línea] ACT Andaluces S.A., 12 de Octubre de 2011. Disponible en: http://www.actandaluces.com/empresa. [Recuperado el 27 de octubre de 2014.] [7] Tortora, Gerard J (2004). Microbiology “An Introduction” (8va edición). Pearson Prentice Hall.
[8] Universidad Nacional Experimental del Táchira (2006) Principios de funcionamiento de las máquinas de vapor [en línea]. Disponible en: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T77.htm [Recuperado el 27b octubre de 2014] [9] William A. Manso Hernández. (2002) Las calderas de los ingenios azucareros.
Referencias [1] Thomasset, C. W. (2011). Pequeño manual del foguista. [En línea]. Disponible en: https://drive.google.com/file/d/0B035waRjqQd _b2ZjMVc2bi03dGs/edit [Recuperado 28 de Octubre de 2014] [2] Otton, L. (1997) Servicios industriales generales. En: Procesos industriales. Fondo editorial de la pontificia universidad católica de Perú, p.p 27-89. [3] Severns, W., Degler, H., Miles, J. (2007) Energía mediante vapor, gas o aire. Editorial Reverté S.A. México, p.p 137-140. [4] Díaz, Santiago & Barreneche, R. (2005) Acondicionamiento térmico de edificios. Argentina, p.p 136-137. “Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad.” Albert Einstein 6
