Proyecto Final de Caldera

Universidad Autónoma de NayaritBalance de energía en la caldera pirotubular de ACBI Aguilar C. Teresa de J./ Barrera M. Karla M. Maldonado A. Luz M. del R./ Alatorre A. Alexis G Galván L. Fernando /Rodríguez D. Arón Sandoval R. José M. 20/06/2014 1 Contenido CAPÍTULO 1 . ¿QUE SON LAS CALDERAS? .................................................................................. 4 ANTECEDENTES HISTORICOS DE LAS CALDERAS .................................................................. 5 CAPÍTULO 2 . ELEMENTOS, TERMINOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA ...................... 7 CAPÍTULO 3 . CLASIFICACION DE LAS CALDERAS .................................................................... 9 Caldera de agua cali ente: ..................................................................................................... 9 Caldera de agua sobrecal entada: ....................................................................................... 9 Calderas de nivel defi ni do: ................................................................................................... 9 Calderas sin nivel defi ni do: .................................................................................................. 9 Calderas automáticas: ........................................................................................................... 9 Calderas manuales: ................................................................................................................ 9 Caldera de vapor: ................................................................................................................... 9 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS SEGÚN SU USO ............................................................ 10 Según l a presi ón de trabaj o: .............................................................................................. 10 Según su capaci dad: ............................................................................................................ 10 Según el materi al de construcci ón: .................................................................................. 10 Según el tamaño: .................................................................................................................. 10 Según el conteni do de l os tubos o diseño: .................................................................... 11 Según l a forma y posici ón de l os tubos: ......................................................................... 12 Según l a fuente de energía: ............................................................................................... 13 Según l a cl ase de combusti ble: ........................................................................................ 13 Según el flui do uti l i zado: .................................................................................................... 13 Según el sistema de circul ación: ...................................................................................... 13 Según l a posici ón del hogar: ............................................................................................. 13 Según el tipo de hogar: ....................................................................................................... 13 Según su forma general: ..................................................................................................... 13 Según el nombre o marca registrada del fabricante: ................................................... 13 Según el tiro de l os gases: ................................................................................................. 14 Según el modo de gobernar l a operaci ón: ..................................................................... 14 Según propi edades especi ales: ........................................................................................ 14 Según su volumen: ............................................................................................................... 14 CAPÍTULO 4 . PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UNA CALDERA. .............................. 15 EN ESTE CAPÍTULO EXPLICAREMOS SOLO PARTES GENERALES RELEVANTES PROPIAS DEL DISEÑO DE LAS CALDERAS. DEBIDO A QUE CADA CALDERA DISPONE DE DIFERENTES ELEMENTOS, DEPENDIENDO DEL TIPO, DE PARTES Y CARACTERÍSTICAS, ES MUY DIFÍCIL ATRIBUIR A TODAS ELLAS UN DETERMINADO COMPONENTE. EN RAZÓN DE LO ANTERIOR SE ANALIZARÁN LAS PARTES PRINCIPALES DE LAS CALDERAS EN FORMA GENERAL, ESPECIFICANDO EN CADA CASO EL TIPO DE CALDERA QUE DISPONE DE DICHO ELEMENTO. PARA TAL ANÁLISIS USAREMOS EL ESQUEMA DE LA CALDERA CILÍNDRICA SENCILLA MOSTRADA EN LA FIGURA 4.1 ............................................................................................................................. 15 Hogar o fogón: ....................................................................................................................... 15 Emparri l l ado: .......................................................................................................................... 16  HORIZONTALES ...................................................................................................................... 17  INCLINADAS ............................................................................................................................ 17 2  ESCALONADAS ....................................................................................................................... 17 Cenicero: ................................................................................................................................. 17 Puerta del cenicero: ............................................................................................................. 17 Altar: ......................................................................................................................................... 17  IMPEDIR QUE AL AVIVAR, CARGAR O ATIZAR LOS FUEGOS TIREN PARTÍCULAS DE COMBUSTIBLES O ESCORIA AL PRIMER TIRO DE LOS GASES. ............................................ 17  EL ALTAR FORMA TAMBIÉN EL CIERRE INTERIOR DEL CENICERO. ............................. 17  IMPRIMIR A LA CORRIENTE DE AIRE DE LA COMBUSTIÓN UNA DISTRIBUCIÓN LO MÁS UNIFORME POSIBLE Y UNA DIRECCIÓN ASCENSIONAL VERTICAL EN TODO EL LARGO Y ANCHO DE LAS PARRILLAS. ....................................................................................... 17  RESTRINGIR LA SECCIÓN DE SALIDA DE LOS GASES CALIENTES AUMENTANDO SU VELOCIDAD, LO CUAL FACILITA SU MEZCLA Y CONTACTO ÍNTIMO CON EL AIRE, HACIENDO ASÍ QUE LA COMBUSTIÓN SEA MÁS COMPLETA. ................................................ 17 Conductos de humos: .......................................................................................................... 17 Caja de humo: ........................................................................................................................ 17 Chimenea: ............................................................................................................................... 18 Tapas de registro o puertas de i nspección: ................................................................... 18 -Puertas de hombres: .......................................................................................................... 18 -Tapas de registro: ............................................................................................................... 18 Puertas de explosi ón: .......................................................................................................... 18 Cámara de agua: ................................................................................................................... 18 Cámara de vapor: ................................................................................................................. 18 Cámara de al i mentación de agua: .................................................................................... 18 CAPÍTULO 5 . NUEVAS GENERACIONES DE CALDERAS ......................................................... 19 CALDERAS DE CONDENSACIÓN............................................................................................... 19 Rendimiento: ............................................................................................................................. 20 CALDERAS DE BIOMASA ............................................................................................................ 22 Combusti bl e para calderas de bi omasa: ......................................................................... 23 CAPÍTULO 6 . CALDERAS PIROTUBULARES .............................................................................. 25 FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA ........................................................................................ 27 Circuito de agua: ....................................................................................................................... 27 Circuito de Humos: .................................................................................................................... 27 SELECCIÓN DEL TIPO DE CALDERA: ....................................................................................... 28 Reducción de las emisiones de NO x ; ........................................................................................ 28 Pérdidas por radiación y convección:........................................................................................ 30 COMPONENTES FUNDAMENTALES: ........................................................................................ 30 PROBLEMAS BÁSICOS PLANTEADOS EN EL INTERIOR DE LAS CALDERAS DE VAPOR .. 31 Incrustaci ones: ...................................................................................................................... 32 Corrosi ones: ........................................................................................................................... 33 Arrastres: ................................................................................................................................ 35 Depósitos: ............................................................................................................................... 36 CAPÍTULO 7. CALDERA PIROTUBULAR DEL ÁREA DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAS DE LA UAN ....................................................................................................................................... 37 3 REPORTE DE FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA................................................................. 39 BALANCE DE MASA Y ENERGÍA DE LA CALDERA .................................................................... 40 Balance de Materia de la Zona de Combustión ........................................................................ 41 Balance de Energía de la Zona de Combustión ....................................................................... 44 ANALISIS DE LOS GRADOS DE LIBERTAD ................................................................................ 47 Cálculo de la Temperatura a la entrada de los gases de combustión ...................................... 48 Cálculo de la entalpía de los gases de combustión a la entrada. ............................................. 51 Cálculo de Q .............................................................................................................................. 51 Cálculo de la entalpía a la salida de los gases de combustión ................................................. 51 CONCLUSIÓN............................................................................................................................... 53 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................................. 54 4 CAPÍTULO 1 . ¿QUE SON LAS CALDERAS? Una caldera puede describirse como un generador de vapor o como “la combinación de equipos para producir o recuperar calor, junto con aparatos para transferir el calor disponible a un fluido”. Las calderas se componen de un compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor. Las hay desde pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para la cocción de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones. “La caldera de vapor más elemental es la conocida como olla a presión, tan común en nuestros hogares”. En esencia una caldera es un recipiente cerrado lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente tal como un combustible, electricidad etc., para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de ebullición del agua pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente vacío conocido como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el proceso de cuestión. Figura 1-1 Componentes de una caldera 5 ANTECEDENTES HISTORICOS DE LAS CALDERAS La primera mención de la idea de utilizar vapor para obtener energía aparece en la pneumática, 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. Observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias. Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares, si por los tubos circula agua. Hasta principios del siglo XIX se usó la caldera para teñir ropas, producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin creó una pequeña caldera llamada marmita en 1769. Se usó vapor para mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse, ésta dejaba de producir trabajo útil. Luego de otras experiencias, James Watt completó en 1776 una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido. 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. El avance de las industrias ha utilizado estas calderas de manera significativa para los procesos de transferencia de calor cuyo objetivo es generar vapor mediante una combustión hecha en el horno. 6 Inicialmente fue empleada como máquina para accionar bombas de agua, de cilindros verticales; fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa en los posteriores. Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años, como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas está la poca velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia; necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura. Dentro de los diferentes tipos de caldera, se han construido para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes, tanto de carga como de pasajeros. Hay una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir, los gases de combustión caliente pasan por los tubos, cediendo su calor al agua que los rodea. Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo Caballo Vapor en homenaje a Watt. 7 CAPÍTULO 2 . ELEMENTOS, TERMINOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA Agua de alimentación: es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización. Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones. Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada. Condensador: sistema que permite condensar el vapor. Estanque de acumulación: es el estanque de acumulación y distribución de vapor. Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera. Purga de fondo: evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera. Purga de superficie: evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera. Fogón u hogar: alma de combustión del sistema, para buscar una continua mejora de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera. Combustible: material que produce energía calórica al quemarse. Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada. Ciclos de concentración: número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación. Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO 3 que confiere una concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5. Desoxigenación: tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas. 8 Incrustación: sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera. Dispersante: sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación. Anti incrustante: sistema químico que les permite a los sólidos permanecer incrustantes en solución. Anticorrosivo: sistema químico que brinda protección por formación de filmes protectores ante iones corrosivos presentes en el agua. Corrosión: deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Índice de vapor/combustible: índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera. 9 CAPÍTULO 3 . CLASIFICACION DE LAS CALDERAS Conforme ha transcurrido el tiempo se han hecho una serie de calderas diferentes a las cuales se les dan diferentes nombres de acuerdo a la aplicación para la que se va utilizar por ejemplo: Caldera de agua caliente: Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110°. Caldera de agua sobrecalentada: Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110°. Calderas de nivel definido: Son aquéllas calderas que disponen de un determinado plano de separación de las fases líquida y vapor, dentro de unos límites previamente establecidos. Calderas sin nivel definido: Son aquéllas calderas en las que no haya un plano determinado de separación entre las fases, líquida y vapor. Calderas automáticas: Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial en servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica. Asimismo se considerarán como automáticas las calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de una acción manual, salvo para cada puesta en marcha de su sistema de aportación calorífica después de que éste haya sufrido un paro ocasionado por la acción de alguno de sus órganos de seguridad o de regulación. Calderas manuales: Se considerará como manual cualquier caldera cuyo funcionamiento difiera del de las anteriormente definidas como automáticas. Caldera de vapor: Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua. 10 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS SEGÚN SU USO Las calderas pueden ser clasificadas basándose en distintos puntos de vista independientes entre sí, de forma que uno no excluya el otro. Así los factores a considerar para clasificarlas pueden ser los siguientes: calderas de acuerdo a su uso, existen móviles y fijas las móviles son locomotoras, buques, portátiles, las fijas son industriales, domiciliarias, comerciales. Según la presión de trabajo: Según su presión de trabajo las clasificamos en baja, mediana, alta presión y súper críticas dependiendo las presiones de trabajo las cuales son: Calderas de baja presión 0 de 450 psi Calderas de mediana presión 450 a 950 psi Calderas de alta presión > 950 psi Según su capacidad: Según su capacidad se clasificaran por medio de categorías las cuales son: Categoría A: Aquellas que generan más de 7500 Kg. /h de vapor o que tenga una superficie de calefacción mayor a los 200 m2. Categoría B: Las que generan más de 2000 Kg. /h de vapor o tengan más que 60 m 2 de superficie de calefacción. Categoría C: Cuando una caldera genere más de 70 Kg. /h de vapor y su superficie de calefacción sea superior a los 2m 2 . Categoría D: Las calderas que generen menos de 70 Kg. /h y tengan menos de 2m2 de superficie de calefacción. Según el material de construcción: Según el material de construcción del recipiente o los tubos, pueden ser de cobre, bronce, hierro, acero común, acero inoxidable, aceros especiales o aleaciones especiales. Lo más frecuente es utilizar para calderas pequeñas, acero común o aceros reforzados especiales para presiones y capacidades mayores. Según el tamaño: Según su tamaño o capacidad pueden ser pequeñas o livianas, medianas, grandes o industriales, esto está asociado a la capacidad de producción de vapor de la caldera. 11 Según el contenido de los tubos o diseño: En esta clasificación se definen dos tipos de calderas y las que serán más utilizadas dependiendo de las necesidades del proceso, estas dos clasificaciones son la caldera piro tubular y la caldera acuotubular será llamada así dependiendo como circule por el interior de los tubos los gases de combustión o el agua de vapor, en la actualidad esta clasificación es una de las más utilizadas.  Caldera piro tubular o de tubos de humos En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua como se muestra en la figura 3.1. La caldera piro tubular generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por agua. Esta caldera también es llamada humo tubular y manejan presiones de operación de 0-300 psig., su principal uso de estas calderas es para: Instalaciones de calefacción a baja presión Producir vapor a presión relativamente baja Producción de energía  Ventajas:  Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.  Mayor flexibilidad de operación.  Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.  Son pequeñas y eficientes.  Inconvenientes:  Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.  No son utilizables para altas presiones.  Calderas acuotubular o de tubos de agua En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquellos como se muestra en la figura 3.2, en contraste con el tipo piro tubular las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son de tracción en vez de compresión, como ocurre en los piro tubos. Estas calderas también son llamadas de tubos de agua y manejan presiones de operación de 0-2200 psi. Figura 3-1 Caldera tipo pirotubular 12  Ventajas: La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP. La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad. El tiempo de arranque para la producción de vapor a la presión de trabajo no excede los 20 minutos. Pueden ser puestas en marcha rápidamente. Puede obtenerse mayor capacidad aumentando el número de tubos, independientemente del diámetro del calderín de vapor. La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y presiones. Este tipo de caldera facilitan el montaje de la misma, da mayor calidad en fabricación y es más económico. Por su fabricación de tubos de agua es una caldera la cual no podrá explotar.  Inconvenientes:  Mayor tamaño y peso, mayor costo.  Debe ser alimentada con agua de gran pureza.  Son usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor. Es posible encontrar también, para bajas capacidades, calderas con tubos de humo y tubos de agua, denominadas Calderas Mixtas. Según la forma y posición de los tubos: Según la forma de los tubos pueden ser de tubos rectos o tubos curvos según su posición preponderante pueden ser calderas de tubos horizontales o verticales o con la probabilidad de que puedan estar inclinados. Figura 3-2 Caldera tipo pirotubular 13 Según la fuente de energía: Según la fuente de energía o aporte de calor pueden tratarse de calderas de combustibles, calderas de radiación o convección, etc. Según la clase de combustible: Según el tipo de combustible pueden ser calderas de combustión de carbón, de líquidos, de gases, calderas de combustible nuclear, de combustibles especiales como bagazo o licores, calderas de recuperación de calor de gases y calderas mixtas, cuando se combinan algunos de los anteriores. Sólidos: En este tipo son un poco engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas y suciedad que generan y el difícil control de la combustión. Líquidos: El combustible debe ser pulverizado o vaporizado para que reaccione con el aire. Gaseosos: De combustión más fácil pero más peligrosa que los líquidos. Según el fluido utilizado: Según el fluido utilizado pueden ser vapor de agua, de dowtherm, o mezcla de aceites, de mercurio, etc. Según el sistema de circulación: Según la circulación de los fluidos entre sí, pueden ser en paralelo o contracorriente de un paso, de dos o varios pasos combinando circulación en paralelo y en contra corriente. Según la posición del hogar: Según la posición del hogar se clasifica en hogar externo o interno, refiriéndose a la posición del fuego respecto al volumen encerrado por la cámara de agua. Según el tipo de hogar: Según el tipo del hogar puede ser de parrilla, fija, parrilla móvil o mecanizada, de quemador de finos, o quemador de líquidos y gases. Según su forma general: Según su forma general son del tipo cilíndricas o de tubos, y éstas con o sin domo, con uno o varios domos, que a su vez pueden ser secos, húmedos o inundados, pueden ser escocesa de retorno de llama, etc. Según el nombre o marca registrada del fabricante: Según la marca del fabricante pueden tratarse entre muchas otras de calderas babcoc y wilcox, heine, galloway, keeler, mellor – goodwin, gonella, etc. 14 Según el tiro de los gases: Según el tiro de los gases pueden ser de tiro natural, inducido, forzado o balanceado. Según el modo de gobernar la operación: Según el modo de gobernar o controlar la operación de las mismas pueden ser manuales automáticas o semi automatizadas. Según propiedades especiales: También pueden ser clasificadas por criterios particulares o especiales no detallados, tales como la instrumentación empleada, aislantes empleados, nivel de agua etc. Según su volumen: Con respecto al volumen de agua que contienen en relación con su superficie de calefacción: De gran volumen de agua (más de 150 litros) por metro cuadrado de superficie de calefacción SC. De mediano volumen de agua (entre 70 y 150 lts. por m 2 de SC). De pequeño volumen de agua (menos de 70 lts. por m 2 de SC). Todas las calderas pueden clasificarse según las características mencionadas anteriormente. Cada fabricante ha tomado o seleccionado algunos de estos aspectos, creando tipos de calderas que se han llegado a popularizar en el ambiente industrial. Actualmente en nuestro país el 81% de las empresas de procesos utilizan generadores de vapor para satisfacer los requerimientos de los procesos que desarrollan, de las cuales el 67% utilizan equipos de tipo piro tubular y el 33% restante utilizan de tipo acuotubular. 15 CAPÍTULO 4 . PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UNA CALDERA. En este capítulo explicaremos solo partes generales relevantes propias del diseño de las calderas. Debido a que cada caldera dispone de diferentes elementos, dependiendo del tipo, de partes y características, es muy difícil atribuir a todas ellas un determinado componente. En razón de lo anterior se analizarán las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento. Para tal análisis usaremos el esquema de la caldera cilíndrica sencilla mostrada en la figura 4.1 Hogar o fogón: Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de cámara de combustión. Los hogares se pueden clasificar en:  Según su ubicación: Hogar exterior Hogar interior  Según el tipo de combustible: Hogar para combustibles sólidos Hogar para combustibles líquidos y gaseosos  Según su construcción. Hogar liso Hogar corrugado Figura 4-1 Partes de una caldera 16 Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o más tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo Hogar. Puerta hogar: Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta de combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego como se muestra en la figura 4.2. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador. Emparrillado: Son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del aire primario que sirve para que se produzca la combustión. Las parrillas deben adaptarse al combustible y cumplir los siguientes requisitos:  Deben permitir convenientemente el paso del aire.  Deben permitir que caigan las cenizas.  Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez.  Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se quemen o deformen.  Deben ser durables. Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarlas y evitar recalentamientos. Hay varios tipos de parrillas las cuales se pueden clasificar de la siguiente manera. Según su instalación:  Fijas o estacionarias: son aquellas que no se mueven durante el trabajo.  Móviles o rotativas: son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible. Figura 4-2 Puerta del hogar 17 Según su posición:  Horizontales  Inclinadas  Escalonadas Cenicero: Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua. Puerta del cenicero: Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. Altar: Es un pequeño muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del hogar y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son:  Impedir que al avivar, cargar o atizar los fuegos tiren partículas de combustibles o escoria al primer tiro de los gases.  El altar forma también el cierre interior del cenicero.  Imprimir a la corriente de aire de la combustión una distribución lo más uniforme posible y una dirección ascensional vertical en todo el largo y ancho de las parrillas.  Restringir la sección de salida de los gases calientes aumentando su velocidad, lo cual facilita su mezcla y contacto íntimo con el aire, haciendo así que la combustión sea más completa. Conductos de humos: Es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes que se han producido en la combustión, en estos conductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera. Caja de humo: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea. 18 Chimenea: Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias a la comunidad. Además, tiene como función producir el tiraje necesario para obtener una adecuada combustión, esto es, haciendo pasar el aire necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan combustibles sólidos. Tapas de registro o puertas de inspección: Son aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos dependiendo de su tamaño: -Puertas de hombres: Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamaño suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente la caldera y limpiarla. -Tapas de registro: Todas las calderas tienen convenientemente distribuidas cierto número de tapas que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas, si es necesario extraer en forma mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas. Puertas de explosión: Son puertas metálicas con contrapeso o resortes, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Solo son utilizables en calderas que trabajen con combustibles líquidos o gaseosos. Cámara de agua: Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo. Cámara de vapor: Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. Cámara de alimentación de agua: Es el espacio comprendido entre los niveles máximos y mínimos de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupado por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua. 19 CAPÍTULO 5 . NUEVAS GENERACIONES DE CALDERAS Tomando en cuenta las necesidades que se cubren al utilizar una caldera, los fabricantes de éstas se encuentran trabajando en nuevas tecnologías que permiten optimizar los equipos y aseguran mayor ahorro de energía. Como es el caso de las nuevas calderas de biomasa y de condensación. CALDERAS DE CONDENSACIÓN Los hidrocarburos generalmente utilizados como combustibles (gas natural, GLP, gasóleo) son, como su nombre indica, compuestos de carbono e hidrógeno en diversas proporciones, elementos que, al combinarse con el oxígeno del aire, forman respectivamente dióxido de carbono (CO 2 ) y agua en estado gaseoso (H 2 O). Cada kilogramo de agua, proveniente de los gases de combustión en forma de vapor, tendría capacidad para ceder 2 260 kilojulios (kJ) si se condensase, energía térmica que en calderas convencionales se envía a la atmósfera. Ver figura 5.1. Además, los combustibles, especialmente los líquidos, tienen algunas impurezas, como el azufre que forma óxidos de azufre al combinarse con el oxígeno atmosférico. En las calderas corrientes, estos gases procedentes de la combustión se expulsan a temperaturas superiores a 150 °C, para conseguir tiro térmico y para evitar que el agua se condense y forme ácidos sulfuroso o sulfúrico al combinarse con los óxidos de azufre (SO 2 + H 2 O → SO 3 +H 2 y SO 3 + H 2 O → SO 4 +H 2 ), lo que corroería sus partes metálicas. 1- Entrada de gas 2- Entrada de aire 3- Salida de gases quemados 4- Retorno desde emisores 5- Ida a emisores 6- Agua condensada Figura 5-1 Esquema de funcionamiento de calderas de condensación. 20 Sin embargo, el uso de combustibles sin contenido de azufre, como los gases (natural y GLP), permitió idear una caldera, la de condensación, que aprovecha la energía latente en el vapor de agua (los mencionados 2 260 kilojulios por kilogramo). Para conseguirlo debe preparar el agua a una temperatura máxima de 60-70 °C (en vez de 90 °C, como las calderas corrientes) y evacuar los gases a temperaturas inferiores a las de condensación (100 °C a nivel del mar), lo que, por otro lado, reduce el tiro térmico del conducto de gases y hace necesario utilizar un ventilador.Además, al salir los gases quemados a menor temperatura, también se aprovecha el calor que, en las calderas normales, se usaría para subirlos a esa temperatura. Por la misma razón, que los combustibles no tienen que contener azufre, los condensados no contienen sustancias corrosivas y se pueden evacuar por el sistema de saneamiento normal. En las nuevas generaciones de calderas, los rendimientos pueden llegar a exceder el 95%. Estos rendimientos son comunes en calderas de condensación, las cuales pueden llegar a operar con temperaturas de agua alrededor de los 54 a los 60°C. Rendimiento: Cuando comparamos las nuevas generaciones de calderas con los rendimientos de las más tradicionales, en donde los rendimientos oscilan en un 88% a una temperatura de agua de 82°C, podemos ver que pueden existir importantes ahorros de energía en el consumo de gas, más aun con calderas que superan los 20 años de vida, las cuales apenas alcanzan rendimientos que no superan el 75%. Solo esta variable podría ser utilizada para el cálculo de un retorno razonable de la inversión de reemplazar una existente caldera por una de mayor rendimiento operacional. Esto podría ser real y suficiente en parte si la evaluación asume una condición estática en el tiempo, la cual no es real, por ende deben ser consideradas otras variables de costos que son necesarias y reales dentro de la evaluación de una inversión. Ver figura 5.2. Figura 5-2 Aumento de rendimiento entre caldera tradicional y de condensación 21 En sistemas domiciliarios y comerciales menores, en donde el uso de calderas es utilizado para calentamiento de agua para el uso sanitario y para el sistema de calefacción por radiadores del tipo estáticos, los ahorros energéticos podrían oscilar desde un 15% hasta un 40%, solo considerando la eficiencia de la caldera, pero si al sumar todos los costos relaciones en un Ciclo de Vida del Equipo, podría verse claramente que los ahorros acumulados en dinero serían muy altos, llevando a estos, a de superar a los ahorros que podrían obtenerse por tan solo el consumo de menos gas por eficiencia energética. Por varios años se han realizado estudios para conocer el punto de inflexión entre la vida operacional de una caldera con respecto al consumo energético que esta tiene durante el mismo periodo, llegándose a un concepto potente denominado Vida Útil de una Caldera, siendo este concepto aprobado por ASHRAE, que una de las más reconocidas asociaciones a nivel mundial en esta materia. Ver figura 5.3. Este valor en años de la Vida Útil de la Caldera nos dice claramente el tiempo en el cual las curvas de Vida Operacional y la de Eficiencia Energética se cortan, haciendo que la operación sea viable y económicamente funcional y que esta no sea igual o mayor que el costo de reinvertir en una nueva caldera con mayores eficiencias y menores costos de mantenimiento correctivo y de reparaciones mayores. Tener calderas que superen esta vida útil nos lleva a tener una fuga silenciosa y creciente de gastos energéticos que muchos Ingenieros y Administradores de edificios muchas veces no pueden ver durante su día a día laboral, consumos que se van acumulando por los años haciendo que estos sobre costes de energía de la llamada energía Basura, puedan pagar el reemplazo completo de un sistema de caldera en un plazo no mayor a los 10 años incluyendo en los mismo los costos financieros para realizarlo. Figura 5-3 Años de vida útil 22 CALDERAS DE BIOMASA Debido al continuo aumento de los precios de los combustibles fósiles, los usuarios buscan nuevas alternativas que no sólo ofrezcan una solución económica sino también medioambiental: la biomasa como recurso energético producido independientemente de las turbulencias del mercado internacional del petróleo no contribuye al efecto invernadero. Las nuevas generaciones de calderas de biomasa ofrecen una total comodidad a los usuarios. Los motivos son sencillos: El precio de los pellets es sensiblemente inferior al de otros combustibles convencionales. En los últimos años, se ha generalizado el empleo de calderas que en lugar de emplear combustibles tradicionales como gasóleo o gas natural, emplean biomasa. La biomasa es un residuo de carácter orgánico considerado un combustible de origen renovable. Pero en realidad, ¿qué tipos de biomasa hay y por qué es una energía “limpia”? Figura 5-4 Comparativa de combustibles 23 Combustible para calderas de biomasa: La biomasa es un residuo orgánico que tras un tratamiento más o menos intenso, se emplea como combustible. Algunos ejemplos son las cáscaras de nuez, los desechos de podas y talas, la leña o los huesos de aceituna. Es cierto que al quemarse producen CO₂, principal gas de efecto invernadero, pero ese CO₂ emitido procede de materia vegetal que la planta en cuestión ha incorporado a su estructura orgánica. Por ello, el CO₂ emitido a la atmósfera al quemar este material vegetal es neutro: primero se incorpora a los tejidos vegetales y luego se emite a la atmósfera al quemarla para producir energía térmica. En la actualidad existen varios tipos de combustibles sólidos para emplear en las calderas de biomasa. Algunos de ellos son los pellets, las briquetas, los granulados o polvos de determinados residuos vegetales. Los pellets Son pequeños cilindros (entre 5 y 6 mm de diámetros y 2-3 cm de longitud) de biomasa compactada, procedente de residuos forestales, serrines o residuos de podas principalmente. Su constitución compacta y su reducido tamaño son una ventaja frente a determinados combustibles de mayor tamaño. Esto permite la automatización de la alimentación de las calderas de biomasa desde un silo de almacenamiento. Ver figura 5.5. Figura 5-5 Pellets 24 Las briquetas Son cilindros de biomasa (entre 20 y 50 cm de longitud y 10 y 15 de diámetro) compactada siempre del mismo tamaño y cuya composición es similar a la de los pellets. Su constitución compacta y uniforme supone grandes ventajas de almacenamiento, limpieza, transporte y facilidad de uso respecto a la leña. El modo de empleo de las briquetas es similar al de la leña tradicional, pudiéndose utilizar en cualquier chimenea o estufa. También se emplea como biomasa sólida para una caldera alimentada desde un silo de almacenamiento el orujo de uva seco, el hueso de aceituna triturado, la cáscara de almendra triturada o la cáscara de nuez. Cada uno de ellos poseerá diferentes características y estará adaptado a un tipo de caldera u otro. Las diferentes calderas de biomasa estarán diseñadas para un combustible con unas especificaciones determinadas: Las calderas de pequeña potencia admiten un combustible estandarizado según una norma, empleando habitualmente pellet. Las calderas de gran potencia se diseñan a medida de un combustible determinado y admiten una variación limitada en las características de éste. Así pues, dependiendo del tipo de caldera que dispongamos, emplearemos un tipo de biomasa u otra, la cual tendrá unas características de granulometría, densidad, poder calorífico, humedad, contenido en cenizas, contenido en cloro o temperatura de fusión de las cenizas diferentes. Figura 5-6 Briquetas 25 CAPÍTULO 6 . CALDERAS PIROTUBULARES Son aquellas calderas en las que los gases de la combustión circulan por el interior de los tubos y el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos. Son de aplicación principalmente cuando la presión de trabajo es inferior a los 22 bar. Por su diseño, tienen un gran volumen de agua, por lo que suelen estar la totalidad de las mismas clasificadas en la clase segunda de acuerdo con lo indicado en el Reglamento de Equipos a Presión en su instrucción técnica complementaria ITC EP-1 Capítulo II Artículo 3. Dicho volumen de agua les permite adaptarse mejor a las variaciones de la instalación que las calderas acuotubulares. El vapor producido por las misma suele tener un título de vapor cercano al 1, es decir, que el contenido de agua por unidad de masa es bajo (3%), no siendo necesario instalar equipos auxiliares complementarios. Las exigencias de la calidad del agua de alimentación son menores a las requeridas por las calderas acuotubulares. Las calderas pirotubulares se clasifican en función de la disposición del haz tubular en: Calderas horizontales: el haz tubular está dispuesto de la parte delantera a la trasera de la caldera. Ver figura 6.1. Calderas verticales: el haz tubular está dispuesto de la parte inferior a la parte superior de la caldera. Figura 6-1 Detalle de caldera pirotubular horizontal. 26 Las calderas pirotubulares se clasifican en función del número de haces tubulares en: Calderas de dos (2) pasos de gases: En el diseño de dos pasos de humos, ver Fig. 6.2, se distinguen claramente dos vías de paso autónomas de circulación de los productos de combustión. Se puede diferenciar una cámara cilíndrica de combustión denominada hogar, localizada en la parte inferior de la caldera y rodeada por una pared posterior totalmente refrigerada por agua (cámara húmeda). Los gases de combustión producidos por el quemador en la parte posterior de la cámara de combustión (hogar) fluyen en sentido inverso a través del hogar volviendo hacia el núcleo de la llama por la zona exterior de la misma hasta la zona delantera de la caldera para introducirse en los tubos del segundo paso de humos. Seguidamente, los gases de combustión de la caldera son dirigidos hacia la caja de gases trasera y evacuados al exterior. Las calderas que se basan en este principio se caracterizan por su bajo rendimiento, así como por el alto contenido de sustancias contaminantes en sus gases de combustión. Figura 6-2 Detalle de caldera de dos pasos de gases 27 FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA Circuito de agua: El principio de funcionamiento de una caldera de vapor, tiene como fin evaporar agua y sobrecalentar el vapor obtenido, mediante energía liberada en una reacción de combustión. En concreto la caldera de vapor elegida para el modelado funciona de la siguiente forma: el agua de alimentación BFWH (Boiler Feed Water High) llega al calderín, y desde allí, a través de los tubos bajantes (down-comer) llega hasta el colector inferior. Desde este colector de distribución, el agua precalentada pasa a través de los tubos alimentadores (risers), situados en las paredes del hogar de la caldera. El vapor se genera en estos tubos (risers), recogiéndose después, en los colectores superiores de las paredes laterales. El vapor generado pasa a continuación por los tubos de descarga del calderín por dentro de un deflector circular. El vapor sale del deflector circular y pasa por los separadores a la cámara de vapor, por encima del agua del calderín. El agua separada del vapor condensa en el calderín. Antes de que el vapor llegue a los tubos alimentadores del recalentador, debe pasar por unos secadores, que están construidos de forma que el vapor tenga que chocar en una serie de tabiques que le hacen cambiar de dirección. Esto elimina con efectividad los restos de humedad del vapor. El vapor saturado SH (Steam High) pasa al colector de entrada del recalentador que consta de dos etapas (recalentador primario y recalentador secundario). A continuación, el vapor pasa al colector general de vapor, desde donde se redistribuye a las diferentes unidades del complejo químico. Circuito de Humos: Utilizando de ejemplo una caldera que utiliza CH 4 como combustible, donde teóricamente el 100% del gas es metano CH 4 . La temperatura de entrada del combustible es de aproximadamente 25ºC y el máximo caudal que puede aportar es de 12 T/h. El aire aportado a la caldera para la combustión proviene del exterior con una temperatura ambiente de 25ºC. Antes de entrar en el hogar, el aire es calentado por un precalentador de aire, gracias al intercambio de calor de los humos de la combustión que salen de la caldera. En el proceso de combustión de nuestra caldera sólo el 95 % de Gas Natural reacciona con el aire, el otro 5 % no reacciona y se trata como parte del humo o gases de escape. Del 95 % del Metano quemado, sólo el 80 % reaccionará para formar CO 2 (dióxido de carbono), el resto reaccionará para formar CO (monóxido de carbono). CH 4 + 2O 2 == CO 2 + 2H 2 O CH 4 + 3/2O 2 == CO + 2H 2 O 28 A parte de los mencionados componentes, se considerarán también humos o gases de escape, el N 2 (Nitrógeno), que no interviene en la combustión, el H 2 O (vapor de agua), que se origina, y el exceso de O 2 que no reacciona con el Gas Natural. Los humos creados en la combustión llevan un calor, que será el responsable de los diferentes intercambios que se irán produciendo en el hogar de la caldera y que ayudarán a producir el vapor necesario según las necesidades. Existen tres partes fundamentales dentro del hogar donde se producirán dichos intercambios de calor: Zona de Radiación, Zona de Convección y Recalentador. SELECCIÓN DEL TIPO DE CALDERA: Los parámetros principales que se han de tener en cuenta a la hora de seleccionar el tipo de caldera son los siguientes: • Potencia útil (para las calderas de agua caliente, agua sobrecalentada y fluido térmico) según el requerimiento térmico de la instalación a la cual van a alimentar. • Producción de vapor (para las calderas de vapor) según el consumo de vapor necesario en el proceso. • Presión de trabajo en continuo (para todos los tipos) de acuerdo con la presión necesaria en el consumidor más alejado del centro de producción. • Temperatura de trabajo en continuo, según el requerimiento constante de la instalación. Reducción de las emisiones de NO x ; Otro de los aspectos más significativos que se deben tener en cuenta en el momento de elegir una caldera y que hay que considerar es el de la emisión de gases contaminantes. Uno de estos gases contaminantes son los óxidos de nitrógeno (NO x ), cuya emisión está regulada en Europa por numerosas normativas y disposiciones legislativas. Una ventaja del diseño de calderas de tres pasos de humos es la reducción de la temperatura en la zona de combustión, un factor que favorece la limitación de las emisiones nocivas de óxidos de nitrógeno (NO x ). Otro factor muy importante para limitar la emisión de óxidos de nitrógeno es la carga térmica volumétrica de la cámara del hogar de combustión. En el caso de calderas de tres pasos de gases, ésta es inferior a 1,3 MW/m 3 . Basándose en las medidas y datos proporcionados por fabricantes de quemadores, en la Fig. 6.3 se representa el informe experimental de la emisión de NO x y la carga térmica de la cámara de combustión. Así, resulta que la emisión de NO x se reduce de manera directamente proporcional a la carga térmica de la cámara de combustión y es notablemente más baja en las calderas de tres pasos de humos 29 Figura 6-3 Emisiones de NOx y carga térmica según tipo de caldera. 30 Pérdidas por radiación y convección: Las pérdidas relativas de calor en el ambiente (pérdidas por radiación y convección) es una de las características de la caldera que debe tenerse en cuenta. Su valor está condicionado por la eficacia del aislamiento del cuerpo de la caldera. En este caso, tienen una gran importancia los elementos cuyo coeficiente de transmisión del calor λ1 [W/mK] sea bajo, así como su espesor S1 [mm], ver Fig. 6.4. El aislamiento del cuerpo en cada condición ambiental debe garantizar que se consigan las condiciones de equilibrio, es decir, que el valor de la temperatura del cuerpo de la caldera no bajará de una manera significativa y, así, minimizar las pérdidas de temperatura. COMPONENTES FUNDAMENTALES: Los componentes que forman las calderas pirotubulares son los siguientes: • Envolvente exterior o virola exterior: Este elemento es de forma cilíndrica y es el encargado de contener los fluidos (agua/vapor) y evitar que estos salgan al exterior, en la misma van montadas las tubuladuras de control y supervisión, tales como los controles de nivel, los indicadores ópticos de nivel y orificios de inspección del lado de agua, etc. Figura 6-4 Pérdidas por radiación y convección 31  Cámara de combustión u hogar de combustión. La cámara de combustión, de construcción cilíndrica y disposición horizontal, puede fabricarse en ejecución lisa u ondulada, en función del tamaño de la caldera y de la presión de trabajo de la misma. Es la encargada de contener la llama del quemador e iniciar el intercambio de energía por radiación. • Cámara de inversión de gases (solo en las calderas de tres pasos de gases). Este elemento es el encargado de reconducir los gases de la combustión hacia el haz tubular o II (2º) paso de gases, haciendo cambiar de dirección a los mismos. Por regla general, esta cámara está totalmente refrigerada por agua, y construida de forma cilíndrica y horizontal. En calderas de bajo rendimiento, uno de los dos fondos no está refrigerado por agua, sino que lo está de una mampostería de cemento refractario. • Fondo delantero y trasero exterior. De forma circular, van soldados a la virola exterior y, al igual que ésta, evitan que los fluidos salgan al exterior. En estas piezas van soldados los tubos de humos del II (2º) y III (3º) paso de gases, así como puertas de registro e inspección y cajones recolectores de gases. • Fondo delantero y trasero interior (solo en calderas de tres (3) pasos de gases). De forma circular, van soldados a la virola de la cámara de inversión. Su misión es la de contener los productos de la combustión. En el fondo delantero van soldados los tubos de segundo paso de gases y en el fon do trasero van soldados entre éste y el fondo trasero exterior unos tubos huecos (tubos stay) para dar al conjunto robustez y flexibilidad. • Haz tubular (de 1 o 2 secciones en función de las calderas de 2 o 3 pasos de gases).Son conjuntos formados por una cantidad variable de tubos, por los cuales circulan los gases de la combustión por su interior. Son los encargados de la trasmisión por convección. PROBLEMAS BÁSICOS PLANTEADOS EN EL INTERIOR DE LAS CALDERAS DE VAPOR Los principales problemas que pueden aparecer en la utilización de las calderas de vapor vienen motivados por los siguientes procesos: • Incrustaciones. • Corrosiones. • Arrastres. • Depósitos. 32 Incrustaciones: Las incrustaciones cristalinas y duras se forman directamente sobre la superficie de calefacción por cristalización de las sales en disolución saturadas presentes en el agua de la caldera. Están constituidas, esencialmente, por elementos cuya solubilidad decrece al aumentar la temperatura del agua y son, generalmente, carbonato cálcico, sulfato cálcico, hidróxido cálcico y magnésico, y ciertos silicatos de calcio, de magnesio y de aluminio, entre otros. Las incrustaciones son peligrosas porque su conductividad térmica es pequeña. Estas incrustaciones afectan al rendimiento térmico de las calderas y producen un recalentamiento importante en el metal expuesto a la llama. Esto se traduce en corrosiones, hinchamientos y explosiones, cuyas consecuencias pueden ser graves. Figura 6-6 Efecto de incrustaciones y flujo de calor en la temperatura del metal. Figura 6-5 Ejemplo incrustaciones en caldera de vapor. 33 La acción de dispersantes, lavados químicos o las dilataciones y contracciones de una caldera pueden soltar las incrustaciones, por lo que deben ser eliminadas para prevenir su acumulación en el fondo del cuerpo de presión, tal como lo muestra la Figura 6.7. Figura 6-7 Ejemplo de acumulación de las incrustaciones en fondo de caldera. En el caso de que estas incrustaciones no sean removidas, se corre el riesgo de embancar la caldera y obstruir las líneas de purga de fondo, con lo que el problema puede tornarse aún más grave. Corrosiones: La corrosión es un proceso por el cual el metal en contacto con su medio ambiente tiende a cambiar desde forma pura de metal a otra más estable. El hierro, por ejemplo, es gradualmente disuelto por el agua y oxidado por el oxígeno que lleva en su seno, formándose productos de oxidación a base de óxidos de hierro. Este proceso ocurre rápidamente en los equipos de transferencia de calor, como son las calderas de vapor, ya que, en presencia de altas temperaturas, gases corrosivos y sólidos disueltos en el agua se estimulan los procesos de corrosión. De los diversos tipos de corrosión que pueden plantearse, se consideran como fundamentales los siguientes:  Corrosión general.  Corrosión por oxígeno o pitting.  Corrosión cáustica.  Corrosión por anhídrido carbónico. 34  Corrosión general: La corrosión general tiende a disolver o atacar el metal de manera uniforme sobrecalentado por el vapor, tal como puede ocurrir en la superficie de los tubos, con acumulación de productos de la corrosión en la propia superficie del metal. Un caso singular de esta corrosión es la debida a la acidez del agua según la reacción: Fe + 2H+ d Fe ++ + H 2 El hierro y otros metales se disuelven más rápidamente en el agua cuanto más bajo sea el valor del pH o más ácida sea el agua. De ahí viene la necesidad de mantener un pH fuertemente alcalino o pH elevado en el interior de las calderas de vapor.  Corrosión por oxígeno o pitting: La corrosión por el oxígeno disuelto puede manifestarse, además de forma generalizada, por despolarización catódica al desequilibrar la reacción anterior en un proceso de corrosión muy importante llamado corrosión por aireación diferencial (efecto Evans). Efectivamente, cuando un metal se ve recubierto de forma irregular por baros e incrustaciones, en presencia de oxígeno disuelto, las zonas cubiertas se ven preferentemente atacadas y son el centro de corrosiones localizadas y profundas, como tubérculos de color negro. Figura 6-8 Ejemplo de corrosión por pitting en tubos de humo 35  Corrosión cáustica: La corrosión cáustica se produce por una sobreconcentración local en zonas de elevadas cargas térmicas (fogón, cámara trasera, etc.) de sales alcalinas, como la sosa cáustica. Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al pitting por oxígeno, rellenas de óxidos de color negro, presentes solamente en las zonas de elevada liberación térmica (fogón, placa trasera y cámara trasera) de una caldera.  Corrosión por anhídrido carbónico: El anhídrido carbónico disuelto en el agua y los distintos compuestos que en ella forma juegan un papel importantísimo en la química del agua. El CO 2 se disuelve en el agua en función de su presión parcial (PCO 2 ). Una parte permanece en disolución en forma de gas mientras otra reacciona con el agua para dar ácido carbónico (H 2 CO 3 ) que se disocia parcialmente para dar iones carbonato o bicarbonato. Estos iones serán consumidos en reacciones de ataque a diversos minerales. Esta corrosión se pone de manifiesto principalmente en las líneas de retorno de condensado y tiene efectos sobre la caldera, ya que los óxidos producidos (hematita) son arrastrados a la misma con el agua de alimentación. Toda caldera cuyo lado agua tiene un color rojizo presenta problemas de corrosión en las líneas de retorno de condensado. Arrastres: El arrastre de condensado en una caldera tiene relación con el suministro de vapor húmedo (con gotas de agua). El suministro de vapor húmedo puede tener relación con deficiencias mecánicas y químicas. Las deficiencias mecánicas tienen relación con la operación con elevados niveles de agua, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas térmicas, variaciones bruscas en los consumos, etc. Figura 6-9 Ejemplo de corrosión cáustica en tubo hogar de caldera de vapor. 36 Por otro lado, las deficiencias químicas tienen relación con el tratamiento de agua de la caldera, específicamente con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos totales (disueltos y en suspensión) y sílice, que favorecen la formación de espuma. El vapor que escapa de una caldera contiene siempre vesículas de agua que tienen tendencia a vaporizarse. Si el vapor llega húmedo al recalentador, es decir, si existe arrastre, el residuo sólido de la evaporización del agua de la caldera puede depositarse parcialmente en el mismo, observándose verdaderas incrustaciones ricas en sosa cáustica o en sales de sodio. En la figura 6.10 se muestra una vista interior de la cámara de vapor de una caldera, en cuyas paredes se aprecia la irregularidad del nivel de agua provocada por un excesivo contenido de sólidos. En muchos casos, la contaminación del vapor debido al fenómeno del arrastre puede perjudicar de forma grave la calidad del producto en con- tacto con el vapor, como puede ser el caso de las industrias alcoholeras, farmacéuticas, etc. Depósitos: El agua que contiene la caldera tiene sólidos en suspensión que provienen del agua de alimentación o de los aditivos y procesos de eliminación de las incrustaciones que se decantan en el fondo de la caldera en forma de lodos. Al igual que ocurre con las incrustaciones, la conductividad térmica de estos compuestos precipitados es muy baja, lo que puede llevar al fallo de metal por sobrecalentamiento al no refrigerarse adecuadamente. Cuando la concentración de sólidos en suspensión es excesiva, la precipitación de lodos puede llevar al fallo de lectura de algunos componentes de control de la caldera, como pueden ser las sondas de nivel o de presión. Figura 6-10 Efecto de los sólidos disueltos en el nivel de agua de la caldera de vapor. 37 CAPÍTULO 7. CALDERA PIROTUBULAR DEL ÁREA DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAS DE LA UAN En el Área de Ciencias Básicas e Ingenierías se cuenta con una caldera de tubos de humo, la cual produce vapor saturado que es utilizado en los diferentes equipos que operan en el laboratorio de Ingeniería Química. De acuerdo a reportes orales de algunos docentes de esta Unidad Académica, esta caldera fue instalada en la década de los años 70´s, sufriendo modificaciones en tiempos posteriores, documentamos una 1982, año en el cual se levantó un plano de todo el equipo. Algunas especificaciones importantes de esta caldera son:  El combustible que se usa es diesel mexicano (C 21 H 44.5 ).  No se cuenta con precalentador de aire.  El vapor de agua que se produce es vapor saturado, no se cuenta con recalentador.  El exterior de la caldera está construido de acero inoxidable.  Las paredes del hogar son de fibra de vidrio.  El agua de alimentación pasa antes por un equipo de desionización.  El modelo original es mexicano, de la marca Selmec.  Como se observa en la imagen, es una caldera de tipo horizontal.  Son 20 tubos por donde fluyen los gases de combustión. Se consultó un plano realizado en 1982, año en que se reportan modificaciones, para reconstruir un dibujo de la caldera, el cual se muestra en la figura 8.1. Figura 7.1 Caldera instalada en el Área de ciencias Básicas e Ingenierías. 38 V á l v u l a d e S e g u r i d a d S a l i d a d e V a p o r A g u a d e a l i m e n t a c i ó n C h i m e n e a Q u e m a d o r V á l v u l a d e p u r g a I n d i c a d o r d e n i v e l T u b o s d e h u m o F i g u r a 7 . 2 D i b u j o d e c a l d e r a p i r o t u b u l a r d e A C B I 39 REPORTE DE FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA Se programó una corrida de la caldera ubicada en el Área de Ciencias Básicas e Ingenierías con la finalidad de obtener un flujo de combustible (diesel), también para conocer la instalación, algunos datos y el funcionamiento de dicha caldera. Se trata de una caldera pirotubular (los gases de combustión circulan por el interior de los tubos y el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos) de acero al carbón que produce vapor saturado a partir de agua de alimentación que entra a la caldera a temperatura ambiente, cuenta con válvula de seguridad para expulsar vapor en caso de que la presión sobrepase la presión deseada, una válvula más en el fondo para purgar polvos, lodos y sustancias indeseadas en general. El agua de alimentación es llevada a través de un sistema de bombeo de 1 HP, después de ser tratada por un filtro y un tanque suavizador. Primero cuantificamos 1 litro de diesel empleando una probeta de 1 litro, en la cual introducimos la manguera de alimentación de combustible al quemador. El nivel de agua en la caldera está conectado a un sistema automatizado, al revisar el nivel se observó que era adecuado. Para determinar un flujo aproximado de combustible procedimos a encender el quemador y así se mantuvo por 4’43’’ tiempo en cual consumió 850 mL de diesel. Figura 7.3 Corte vertical de la caldera. Tubos de humo Hogar 40 El docente responsable de la caldera es el M.C Liborio González Torres, el cual nos brindó información básica, datos que la experiencia le ha otorgado y que de otra manera sería muy difícil medirlos, pues no se cuenta con el equipo necesario. BALANCE DE MASA Y ENERGÍA DE LA CALDERA Construimos el esquema que se muestra en la figura 7.4, para visualizar los datos que se nos proporcionaron de primera mano por el maestro Liborio: Observamos que lo que conocemos es la temperatura del agua de alimentación y de los gases de combustión a la salida (chimenea). Otros datos que conocemos son:  La potencia máxima son 20 CV.  La combustión del diesel es del 95%.  La potencia de la bomba del quemador es de ½ HP  La potencia de la bomba de agua de alimentación es de 1 HP.  El volumen del calderín es de 0.825143 m 3 , (de acuerdo a las medidas en el plano proporcionado).  La presión a la que trabaja la caldera es de 4 kg/cm 2 De acuerdo a todos estos datos, podemos obtener más información para nuestro diagrama:  El flujo que otorga una bomba de 1 HP reportado en la mayoría de la bibliografía consultada es de 130 kg/min. Como dentro de la caldera no se registra reacción química alguna, y no hay acumulación, lo que entra es lo mismo que lo que sales, por lo tanto suponemos: m 3 =m 4 =130 kg/min. Gases de combustión T 1 =? H 1 =? Flujos=? Gases de combustión T 2 =350°C H 2 =? Flujos=? Agua de Alimentación T 3 =25 H 3 =? Flujos=? Vapor Saturado T 4 =? H 4 =? Flujos=? Figura 7.4 Diagrama para realizar el balance de energía. Q=? 41  En la corriente 3 tenemos agua líquida comprimida a 25°C, con estos datos consultamos tablas termodinámicas para conocer H 3 =104.85 Kj/kg.  En la corriente 4 tenemos vapor de agua saturado y una presión de 4 kg/cm 2 (392.266 kPa), con estos datos consultamos tablas termodinámicas para conocer la H4=2737.17 kJ/kg y T 4 =142.91°C. Es conveniente dividir nuestro análisis de la caldera en dos partes, la primera corresponde a la Zona de Combustión que es dónde se lleva a cabo la reacción de combustión del diesel con el oxígeno y la segunda del Calderín que es dónde se lleva a cabo el intercambio de calor. Balance de Materia de la Zona de Combustión La reacción típica de combustión de diesel es: Componentes de ENTRADA:  C 21 H 44.5 de Alimentación  S de Alimentación  O 2 de Alimentación  N 2 de Alimentación ( ) → 8 42 Componentes de SALIDA:  C 21 H 44.5 de Salida  CO de Salida  CO 2 de Salida 43  O 2 de Salida  N 2 de Salida El N2 es un componente que no forma parte de la reacción y por tanto los mol/min de salida son iguales a los de entrada.  H 2 O de Salida El resto de los productos de la reacción los podemos descartar por su mínima formación (C, C 4 H 8, SO 2, NO, NO 2 ). 44 En la siguiente tabla se observa de forma resumida el balance molecular de los componentes de entrada y de salida de la reacción para los valores máximos de producción: Entrada Salida Componente Masa Molar Mol/min Kg/min Mol/min Kg/min C 21 H 44.5 296.5 0.498395 0.147774 0.024919 7.388484e-3 O 2 32 182.243250 5.834118 167.033581 5.345075 N 2 28 764.900571 21.936282 764.900571 21.417216 CO 2 44 9.941501 0.437426 CO 28 1.495185e-3 4.186518e-5 H 2 O 18 10.534841 0.189627 OTROS 0.521397 TOTAL 27.918174 27.918174 Balance de Energía de la Zona de Combustión A continuación se calcularan las entalpías de cada uno de los componentes que intervienen en la reacción. Al realizar el cálculo de las entalpías hay que tener en cuenta las temperaturas de cada uno de los componentes. La temperatura del Diesel (C 21 H 44.5 ) será la temperatura ambiente, 25°C. Al igual que para el Diesel la temperatura del aire será la temperatura ambiente. La temperatura de los gases de escape será 1624.6 C. Entalpías de ENTRADA: Para el cálculo de entalpías necesitamos saber la capacidad calorífica Cp de los componentes de entrada, que se resumen en la siguiente tabla: Componentes Constantes Cp=a+b10 -2 T +c10 -5 T 2 +d10 -9 T 3 a b c d T °C KJ/mol°C Kj/Kg°C C 21 H 44.5 --- --- --- --- 25 3.428984E+05 1.156487E+06 O 2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 25 2.938572E+01 9.183038E+02 N 2 29.0 0.2199 0.5723 -2.871 25 2.905851E+01 1.037804E+03 Capacidad calorífica de los componentes de entrada 45 Una vez que conocemos las Cp, calculamos a las entalpías de cada reactivo. Para ello utilizaremos la siguiente fórmula: ∫ ( ) Entalpía de los componentes de entrada Si multiplicamos la entalpia de cada componente por el caudal en ese momento encontraremos el calor de entrada. La tabla siguente es orientativa por lo que hace referencia a los valores, ya que el caudal de cada gas irá variando en cada instante, por esto los valores que se reflejan a continuación son para el caso de producción máxima Calores de los componentes de entrada Componentes Cp Temperaturas °C Entalpia H Kj/Kg Kj/Kg°C T 1 T 2 C 21 H 44.5 ---- ---- ---- 1.156487E+06 O 2 ---- ---- ---- 0 N 2 ---- ---- ---- 0 Componentes Entalpia H Kj/Kg Caudal Kg/min Q Kj/min C 21 H 44.5 1.156487E+06 0.147774 170,898.7099 O 2 0 5.834118 0 N 2 0 21.936282 0 TOTAL 170,898.7099 46 Entalpías de SALIDA: Para el cálculo de entalpías necesitamos saber la capacidad calorífica Cp de los componentes de salida, que se resumen en la siguiente tabla: Componentes Constantes Cp=a+b10 -2 T +c10 -5 T 2 +d10 -9 T 3 a b c d T °C KJ/mol°C Kj/Kg°C C 21 H 44.5 --- --- --- --- 1624.6 2.225661E+07 7.515316E+07 O 2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 1624.6 3.749770E+01 1.171803E+03 N 2 29.0 0.2199 0.5723 -2.871 1624.6 3.536694E+01 1.263105E+03 CO 2 36.11 4.233 -2.8887 7.464 1624.6 6.0641627E+01 1378.218795 CO 28.95 0.411 0.3548 -2.22 1624.6 3.5472410E+01 1266.871781 H 2 O 33.46 0.688 0.7604 -3.593 1624.6 4.9300440E+01 2738.913327 Capacidad calorífica de los componentes de salida Una vez que conocemos las Cp, calculamos a las entalpías de cada reactivo. Para ello utilizaremos la siguiente fórmula: ∫ ( ) Entalpía de los componentes de salida Componentes Cp Temperaturas °C Entalpia H Kj/Kg Kj/Kg°C T 1 T 2 C 21 H 44.5 7.515316E+07 25 1624.6 1.2021E+11 O 2 1.171803E+03 25 1624.6 1874416.08 N 2 1.263105E+03 25 1624.6 2020462.76 CO 2 1378.218795 25 1624.6 2204598.78 CO 1266.871781 25 1624.6 2026488.1 H 2 O 2738.913327 25 1624.6 4381165.76 47 Si multiplicamos la entalpia de cada componente por el caudal en ese momento encontraremos el calor de entrada. La tabla siguiente es orientativa por lo que hace referencia a los valores, ya que el caudal de cada gas irá variando en cada instante, por esto los valores que se reflejan a continuación son para el caso de producción máxima Calor de los componentes de salida Si al calor total de salida le restamos el de entrada encontraremos el incremento de calor que sufre la reacción. Balance de energía: ∑ ∑ ANALISIS DE LOS GRADOS DE LIBERTAD Con los cálculos realizados hasta ahora, la consulta de tablas termodinámicas y los datos proporcionados, replanteamos nuestro esquema para el balance de energía de la caldera: Componentes Entalpia H Kj/Kg Caudal Kg/min Q Kj/min C 21 H 44.5 1.2021E+11 7.388484e-3 8.88E+08 O 2 1874416.08 5.345075 1.00E+07 N 2 2020462.76 21.417216 4.33E+07 CO 2 2204598.78 0.437426 9.64E+05 CO 2026488.1 4.186518e-5 8.48E+01 H 2 O 4381165.76 0.189627 8.31E+05 TOTAL 9.43E+08 T 1 =? H 1 =? H4=? Q=? 48 El análisis de grados de libertad nos arroja como resultado números muy distantes del 0, esto nos indica el grado de idealidad que consideraremos en nuestro balance, es decir se tuvieron que hacer muchas suposiciones para resolver nuestras ecuaciones. Sin estas suposiciones nos hubiese sido imposible cualquier cálculo. Recordamos que: Cálculo de la Temperatura a la entrada de los gases de combustión Conocemos la temperatura de salida de dichos gases (350°C), y las dos entalpías de las corrientes de agua. Utilizaremos la fórmula para cada flujo de entrada. ∫ ( ) ∑ ∑ ∑ Concepto Balance de Masa balance de energia NTVCC variable de corriente 4 4 velocidad de reacción 0 1 tempertatura 0 4 dQ/dt o dW/dt 0 1 NTEBI balance de masa -11 -11 balance de energia 0 -1 NTVCIE composicion -11 -11 flujo total -2 -2 temperatura 0 -2 dQ/dt o dW/dt 0 0 NTRSAI divisor 0 grados de libertad -20 -17 Tabla de Análisis de grados de libertad SIGLAS NTVCC NTEBI NTVCIE NTRSAI numero total de variables de corriente integras de entrada numero total de reacciones impuestas SIGNIFICADO numero total de variables de corriente conocidas numero total de variables de corriente conocidas independientes que se especifiquen 49 Se diseñó un algoritmo en Matlab: Obtención del polinomio en función de T 1 syms T 2 Cp1=(36.11e-3)+(4.233e-5)*T+(-2.887e-8)*(T^2)+(7.464e-12)*(T^3); 3 H1=int(Cp1,T,350); 4 Cp2=(28.95e-3)+(0.411e-5)*T+(0.3548e-8)*(T^2)+(-2.22e-12)*(T^3); 5 H2=int(Cp2,T,350); 6 Cp3=(38.91e-3)+(3.904e-5)*T+(-3.104e-8)*(T^2)+(8.606e-12)*(T^3); 7 H3=int(Cp3,T,350); 8 Cp4=(37.66e-3)+(4.151e-5)*T+(-2.694e-8)*(T^2)+(10.57e-12)*(T^3); 9 H4=int(Cp4,T,350); 10 Cp5=(36.07e-3)+(3.97e-5)*T+(-2.88e-8)*(T^2)+(7.87e-12)*(T^3); 11 H5=int(Cp5,T,350); 12 Cp6=(29.10e-3)+(1.158e-5)*T+(-0.6076e-8)*(T^2)+(1.311e-12)*(T^3); 13 H6=int(Cp6,T,350); 14 H7=int(Cp7,T,350); 15 H7=int(Cp6,T,350); 16 Cp9=(11.18e-3)+(1.095e-5)*T+(-4.891e2)*(T^2); 17 H9=int(Cp9,T,350); 18 H10=104.85; 19 H11=2737.17; 20 Cp8=(33.46e-3)+(0.688e-5)*T+(0.76043-8)*(T^2)+(-3.593e-12)*(T^3); 21 H8=int(Cp8,T,350); 22 Cp7=(29e-3)+(0.2199e-5)*T+(0.5723e-8)*(T^2)+(-2.871e-12)*(T^3); 23 H7=int(Cp7,T,350); 24 H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7+H8+H9+H10+H11 50 Para encontrar el valor de T, usamos una hoja de cálculo, en donde dimos un valor a T y de ahí nos fuimos aproximando hasta que la igualdad diera 0. Obtención de temperatura 1 por polinomio en Matlab 2000 1500 1600 1800 1700 1650 1625 1624 1624.5 6.14221 E+12 - 1.5097 E+12 - 3.16827 E+11 2.5553 E+12 1.0349 E+12 3.3855 E+11 581942 8348 - 727897 4563 - 731788 866.3 Observamos que entre los valores para T de 1624 y 1625 el valor de la función es 0, por lo tanto aproximamos T a 1624.6°C. 25 H = T*(T*((4891*T)/30 - 6463739123427827/1180591620717411303424) - 559/50000) - ((T - 350)*(382375177238643136250*T^2 - 214705225563558125*T^3 + 928820931012105168087500*T + 11524576118764161483308639464))/386856262276681335905976320000 - ((T - 350)*(15222793920587409375*T^3 - 68948424484917222718750*T^2 + 129449987554121473066037500*T + 324385603250340431295684442248))/7737125245533626718119526400000 - ((T - 350)*(43312427124497240625*T^3 - 208211456344981767381250*T^2 + 418394757744414044546162500*T + 984600943059202697965045169912))/23211375736600880154358579200000 - ((T - 350)*(3075886404236647857250*T^2 - 1332797194795622625*T^3 + 3118232851274240202837500*T + 54941773206860026029105028744))/1856910058928070412348686336000 - ((T - 350)*(2028674239378916875*T^3 - 11826170147380663573750*T^2 + 31699204585728524364867500*T + 191214997321027813525526199592))/6189700196426901374495621120000 - ((T - 350)*(61336060383967828125*T^3 - 186970532980287151356250*T^2 + 416312416870050772442912500*T + 1019849756144906916968163467672))/23211375736600880154358579200000 + ((T - 350)*(83398473021606965625*T^3 + 224053839284420965610419269968750*T^2 + 78418843430158807828018624425062500*T + 27446592093945054153144718689419634872))/92845502946403520617434316800000 - ((T - 350)*(49939274897296790625*T^3 - 222681621407309886481250*T^2 + 375147486885890707705962500*T + 1034456250321201994503179191672))/23211375736600880154358579200000 - 773662126579784334837018541166827/110680464442257309696000 26 simplify (H) 27 ans = - (33593978846087363*T^4)/4951760157141521099596496896 + (6000377216053723628643685211*T^3)/36267774588438875241185280 - (468220275593283899*T^2)/4722366482869645213696 - (7011*T)/25000 - 823251411393733119854934736037800523291/116056878683004400771792896000 Polinomio Simplificado: 28 -(6.784249999e-12*T^4)+(1654.465234*T^3)-((9.91495e-5)*T^2)-0.28044*T-7.093516741e12=0 51 Cálculo de la entalpía de los gases de combustión a la entrada. Fórmulas ̅̅̅ + + ∫ Construimos una tabla con las constantes para calcular el C p promedio de cada componente de entrada: Aplicamos nuestra fórmula para calcular Cp promedio, la cual consiste en multiplicar cada Cp de cada compuesto por su respectivo caudal. Esto lo hacemos fácilmente en una hoja de cálculo y obtenemos: ̅̅̅ + + Aplicamos la fórmula para entalpía: ( ) Cálculo de Q Cálculo de la entalpía a la salida de los gases de combustión Tenemos nuestro balance energético: De aquí despejamos H 4 () () () Con esto calculamos todas nuestras incógnitas y concluimos nuestro balance de energía. Gases de Combustión T1 T2 Tref a b c d Cp prom (25-1624.6) Cp prom (25-350) CO2 1624.6 350 25 3.61E-02 4.23E-05 -2.89E-08 7.46E-12 12.7521357 10.2449138 CO 1624.6 350 25 2.90E-02 4.11E-06 3.55E-09 -2.22E-12 7.90960448 7.134678852 SO2 1624.6 350 25 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 12.6065258 10.74705409 NO 1624.6 350 25 2.95E-02 8.19E-06 -2.93E-09 3.65E-13 8.13530532 7.38801119 NO2 1624.6 350 25 3.61E-02 3.97E-05 -2.88E-08 7.87E-12 12.3447052 10.11934715 O2 1624.6 350 25 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 8.28156552 7.413920981 N2 1624.6 350 25 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 7.83992427 7.082044644 H2O 1624.6 350 25 3.35E-02 6.88E-06 7.60E-10 -3.59E-12 8.58100952 8.303673955 C 1624.6 350 25 1.12E-02 1.10E-05 -4.89E+02 -1.0445E+11 -5138719976 52 T 1 = 1 6 2 4 . 6 ° C H 1 = 4 . 4 e 6 H 4 = 4 4 0 3 9 9 4 . 9 5 1 K j / k g Q = 3 5 5 8 3 2 . 1 k J / m i n B a l a n c e g e n e r a l d e e n e r g í a . 53 CONCLUSIÓN Todos los resultados obtenidos parecen lógicos, aceptables comparados con los datos reportados para calderas en la bibliografía consultada. La eficiencia de una caldera, dicho de manera simple, corresponde a la razón entre el calor absorbido y el calor liberado en el equipo. La diferencia entre el calor liberado y el calor absorbido corresponderá a las pérdidas de calor de la caldera. Una de las muchas formas de poder eficientar el funcionamiento de la caldera es el aprovechamiento del calor liberado en forma de humos de combustión, en base a esto podemos proponer un aditamento a la caldera del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías, la caldera de la institución no cuenta con precalentador de aire; el precalentador se utiliza para calentar el aire comburente para mejorar el proceso de la combustión. Los humos constituyen una fuente energética, la función del precalentador es recoger y utiliza el calor residual de los humos, lo que incrementara la eficiencia total de la caldera de un 5% y 10%. 54 Bibliografía Chattopadhyay, P. (2001). Boiler Operation Engineering. Questions and Answers. New Delhi: McGraw-Hill. Escamilla González, D. (2010). Manual de operación y mantenimiento de calderas tubulares (tubos de humo) tipo horizontal. Tepic: Tesis del Autor. IMPOREX OIL & COMBUSTION. (2011). Presentación Técnica. Laurence Kohan, A. (2000). Manual de calderas :principios operativos de mantenimiento, construcción, instalación, reparación, seguridad, requerimientos y normativas. Madrid: Mc-Graw Hill. Pelayo Díaz, S. (2001). Modelado y Simulación de una Caldera de Vapor Industril usando Ecosimpro. 1a Reunión de usuarios de Ecosimpro. Peñalba Galán, J. (2004). Modelado y Simulación de una Caldera Convencional. Tarragona: Universitat Rovira I Virgili. Sandoval Rubio, M. Á. (2011). Caldera pirotubular y su utilización en la industria. Tepic: Tesis del Autor. Vicente Quiles, P. G. (2005). Balance Energético en Calderas.