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CALDERAS

1.- Introduccin (I)

Las calderas: la energa de un combustible se transforma en calorpara elcalentamiento de un fluido.

Partes:

Hogar

Quemador

Humos Intercambiador de calor

Fluido caloportador

Chimenea.

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1.- Introduccin (II)

Reducir el tamao de la caldera implica:

Limitar el tamao del intercambiador de calor (aletas, turbuladores)[prdida de carga en los humos es crtica]

Reducir el agua contenida disminuir el tiempo de respuesta

Hacer ms inestable la temperatura de salida

Disminuir la prdidas trmicas por la envolvente

2.- Combustin (I)

Reaccin [combustible - comburente] calora un nivel trmico aprovechable.

El quemadores el encargado de que la mezcla sea la apropiada.

La cantidad de calor por unidad de masa que desprende un combustibleal quemarse es el Poder Calorfico (kJ/kg).

PCI(el vapor de agua de los humos no condensa)

PCS(se condensa el vapor de agua de los humos)

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2.- Combustin (II)

Los elementos bsicos que reaccionan son:

El oxgeno del aire como comburente (aprox. 1m3 por kWh)

El carbono y el hidrgeno del combustible

Otros elementos (azufre), e inertes (cenizas).

Reacciones del Carbono :

C + O2 = CO2 + 32.780 MJ/kg

C + 1/2 O2 = CO + 9.188 MJ/kg

CO + 1/2 O2 = CO2 + 10.111 MJ/kg

La reaccin del Hidrgeno es:

H2 + 1/2 O2 = H2O + 118.680 MJ/kg

Si el agua se condensa:

H2 + 1/2 O2 = H2O + 142.107 MJ/kg

La reaccin deAzufre es:

S + O2 = SO2 + 2.957 MJ/kg

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2.- Combustin (III)

La combustin completa se llama estequiomtrica, todo el carbono se

oxida en CO2 .

C + O2 = CO2 12 g de C necesitan 22,4 litros de O2

H2 + 1/2 O2 = H2O 2 g de H2 necesitan 11,2 litros de O2

S + O2 = SO2 32 g de S2 necesitan 22,4 litros de O2

La combustin incompleta se produce si existe CO en los humos.

El aire contiene el 21% de O2 ,

se necesitan 4,76 veces ms de aire.

Conociendo la composicin del combustible es posible conocer la

cantidad de oxgeno necesaria.

9,57Metano

11,925Butano

12,119Propano

16,75Etano

(m3/m3) de aireCombustible

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2.- Combustin (IV)

Para obtener una combustin completa se requiere un exceso de aire,

que depende de: el combustible, y de la homogeneidad de la mezcla

combustible comburente que se consiga en el quemador.

El exceso de aire empleado

se deduce del contenido de

CO2 en los humos.

Existen unos grficos.

(%)100xtricoEstequeomAire

tricoEstequeomAiredoSuministraAireAiredeExceso

=

El exceso de aire no es deseable, es una masa que absorbe calor y

disminuye la T final y el nivel energtico.

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2.- Combustin (V)

Para combustiones incompletas se emplea el Diagrama Ostwald;

para el Gasleo C es el siguiente:

n, exceso de aire

% CO

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2.- Combustin (VI)

Punto de roco hmedo y cido limitan la temperatura de los humos

Gas Natural 155 gr.agua/kWh (T humos mayor)

Gasleo C 87 gr.agua/kWh

SO3 + H2O = SO4H2 T > 130C

Las superficies han de estar a temperaturas

mayores: tubos de doble pared (aumento del

A intercambio), o mantener la temperatura deretorno a la caldera alta con un bypass

Calderas de condensacin

(materiales resistentes)

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3.- Combustibles (I)

Los combustibles se clasifican en: slidos, lquidos y gases.

Propiedades de los combustibles

Potencia o poder calorfico; el superior y el inferior. Lmite de inflamabilidad: porcentajes de combustible y aire en la mezcla, a

presin y temperatura para que sea de forma autosostenida

Velocidad de propagacin de la llama: en un frente gaseoso.

Temperatura de ignicin; punto de inflamacin (combustibles lquidos);temperatura a la cual la velocidad de combustin es lo suficientemente elevadapara que la combustin se propague

Indice Wobbe; (combustibles gaseosos), es el cociente entre el PCS y la razcuadrada de la densidad relativa respecto del aire (MJ/m3).

Marca tres familias: A (23,86 a 31,4 gas ciudad);

B (41,28 a 57,99 gas natural)C (77,46 a 92,4 GLP).

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3.- Combustibles (II)

Los combustibles slidos, importan el carbono fijo, la humedad, las

cenizas y las materias voltiles.

Los combustibles lquidos, fueloleo ( S2), y gasleo C.Distribucin en camiones cisterna y almacenamiento en un depsitocentral, alcanzando la caldera por una red de tuberas.

Los combustibles gaseosos, butano, propano, gas natural.

Composicin variable, y el suministro puede ser por medio decanalizaciones a alta baja o media presin, con depsitos fijos o con

depsitos mviles (bombonas); necesitan vaporizacin

Los combustibles lquidos y gaseosos logran mejor mezcla con elaire, y ensucian menos que los slidos

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4.- Tipos de Calderas (I)

Clasificacin por los materiales

Calderas de fundicin; por elementos, la transmisin de calor tiene lugaren el hogar, rea de intercambio pequea y rendimientos bajo; tienenpoca prdida de carga en los humos y por ello suelen ser de tiro natural.

Calderas de acero; combustibles lquidos o gaseosos, por lo que tienenuna mayor superficie de contacto y su rendimiento es mejor.

Calderas murales; de diseo compacto y reducido, empleadas parainstalaciones familiares de ACS y calefaccin actualmente se estincrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.

4 Ti d C ld (II)

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4.- Tipos de Calderas (II)

Clasificacin por su aplicacin

Usos domsticos: calefaccin, ACS o mixtas.

Generacin de energa para plantas termoelctricas: para la generacin

de vapor sobrecalentado a altas presiones.

Plantas de cogeneracin: usan los gases calientes de escape son calderas

llamadas de recuperacin.

Generacin de vapor o agua sobrecalentada en plantas industriales.

Clasificacin por T salida de los humos

Estandar: no soportan condensacin, T ret > 70C.

Baja T: soportan T agua retorno de 35 o 40C

Tubos de doble o triple pared gran tamao

Condensacin: la soportan de manera permanente.

4 Ti d C ld (III)

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4.- Tipos de Calderas (III)

Clasificacin por la toma de aire

Circuito abierto y tiro natural.

Circuito abierto y tiro forzado.

Calderas estancas.

Clasificacin por el tipo de combustible

Slidos: engorrosas de operar por la alimentacin, las cenizas y suciedad que

generan y el difcil control de la combustin.

Lquidos: el combustible deber ser pulverizado o vaporizado para que

reaccione con el aire.

Gaseosos: de combustin ms fcil pero ms peligrosa que los lquidos.

4 Ti d C ld (IV)

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4.- Tipos de Calderas (IV)

Clasificacin por su diseo

Calderas atmosfricas.

Calderas de depresin, funcionan por la depresin que se crea en lachimenea o por un ventilador que aspira; se evita la salida de humos al local.

Calderas de sobrepresin; los gases circulan empujados por un ventilador;por lo que los gases circulen ms rpido que en las calderas de depresin.

Clasificacin de las calderas por el fluido caloportador

Calderas de agua.

Calderas de agua sobrecalentada, necesitan bombas de alimentacin para

elevar la presin, las fugas son muy peligrosas.

Calderas de vapor, las fugas son muy peligrosas, los condensados necesitan

ser purgados, necesitan gran control de la calidad del agua.

Calderas de aceite trmico.

4 Tipos de Calderas (V)

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4.- Tipos de Calderas (V)

Clasificacin de las calderas por su diseo

Calderas pirotubulares, o de tubos de humo. la llama se forma en el hogarpasando los humos por el interior de los tubos de los pasos siguientes paraser conducidos a la chimenea; presentan una elevada perdida de carga en loshumos. El hogar y los tubos estn completamente rodeados de agua.

Calderas acuotubulares, o de tubos de agua. la llama se forma en unrecinto de paredes tubulares que configuran la cmara de combustin.

Soporta mayores presiones en el agua, pero es ms cara, tiene problemas de

suciedad en el lado del agua, y menor inercia trmica.

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5.- Calderas murales

Incluyen, de manera compacta, todos los elementos requeridos en unacentral trmica.

Hasta 60 kW, hoy en da se permite la asociacin de varias en paralelo.

Las hay mixtas: con bitrmico, o con intercambiador exterior, algunaspresentan microacumulacin para el A.C.S.

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6.- Quemadores (I)

Es el dispositivo que pone en contacto el combustible y elcomburente en cantidades y condiciones adecuadas.

Para combustibles slidos: parrillas, mala regulacin, estn en desuso.

Para combustibles lquidos: valvulera, filtros, elementos de control y

de seguridad.

De pulverizacin mecnica o por presin, colocan el lquido en rotacin

de forma que se convierte en un gran nmero de pequeas gotasagrupadas en un cono que ofrecen gran posibilidad de mezcla con el aire.

Necesitan que el combustible este a

una presin entre 16 y 20 bar, que hade ser suministrada por la bomba del

combustible.

Los combustibles pesados, como el

fuel, precisan precalentarse por su

elevada viscosidad.

6 - Quemadores (II)

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6.- Quemadores (II)

Rotativos, de pulverizacin centrfuga

Una copa que gira a gran velocidad,

distribuye el combustible y lo lanza

perimetralmente hacia delante en formade tronco de cono.

Al tener elementos mviles, requieren un

mantenimiento ms cuidadoso que los de

pulverizacin mecnica, si bien sonmenos propensos al ensuciamiento.

Para combustibles lquidos (II):

De pulverizacin asistida, o por

inyeccin de fluido auxiliar

Slo para combustibles pesados,

junto con ellos se se inyecta unfluido auxiliar formando una mezcla

que se pulveriza fcilmente.

6 - Quemadores (III)

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6.- Quemadores (III)

Quemadores para combustibles gaseosos; son ms sencillos que los

de lquidos, ya que la mezcla con el aire se consigue ms fcilmente. Lavalvulera, filtros, elementos de control y seguridad.

Quemador atmosfrico: la presin del gas provoca la aspiracin del aire

(primario) para la combustin (entre el 40 y el 60% del necesario), el airenecesario se completa en el propio quemador a la altura de la llama.

La regulacin de potencia se controla con la seccin de paso del combustible.

Quemador de premezcla: el aire, incluido

el exceso, se mezcla con el gas antes del

quemador, no existiendo aire secundario.

6 - Quemadores (IV)

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6. Quemadores (IV)

Para combustibles gaseosos (II):

De flujo paralelo, con mezcla por turbulencia, el aire llega paralelo al

eje del quemador, se pone parcialmente en rotacin por la accin de la

roseta (dispositivo con aletas), sta no ocupa toda la seccin del conducto

de aire; el espacio anular permite conservar una parte del aire en

movimiento axial.

6.- Quemadores (V)

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6. Quemadores (V)

Quemadores mixtos: pueden quemar simultneamente o por

separado ms de un combustible.

Se utilizan en grandes calderaspara dar seguridad de servicio

Gas natural

Gasoleo C

Si se instalan dos quemadores diferentes, con los que se puederealizar un control de la potencia suministra en escalones; stos suelenser de distinta potencia, de manera que se tengan tres escalones de

regulacin.

7 E i ili (I)

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7.- Equipos auxiliares (I)

Asociados a la caldera se instalan dentro de una sala que sedenomina central trmica o sala de calderas.

Ventiladores de aire de combustin.

Envan el aire al cajn, comn o individual, en elque estn alojados los quemadores.

En las instalaciones industriales se instala en un

foso situado en el frente de la caldera, paraamortiguar ruidos.

Las calderas estn en sobrepresin.

El accionamiento por correas y poleas permite ajustes posteriores en

el caudal impulsado, lo que no permite una transmisin directa.

Entre el ventilador y elementos de impulsin al quemador, o el cajn

de aire, se debern instalar juntas flexibles, para amortiguar lasvibraciones y absorber las dilataciones de la caldera.

7.- Equipos auxiliares (II)

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7. Equipos auxiliares (II)

Circuito de combustible

En las de combustibles slidos la alimentacin puede ser manual en

las pequeas y automatizada con cintas transportadoras en las grandes.

En las de combustibles lquidos la

alimentacin es con bombas que comunica

presin al combustible, de engranajes .

Son ms robustas

Son ms estables

El combustible las lubrica

En las de combustibles gaseosos la

fuerza impulsora es la presin de la red

de distribucin o el depsito, puede ser

necesario un reductor de presin.

7.- Equipos auxiliares (III)

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q p ( )

Circuito del fluido caloportador

El caso normal es que sea agua, y la fuerza impulsora:Red de abastecimiento (circuitos abiertos),

Bombas circuladoras

Por termosifn (diferencia de densidades del agua caliente y fra, poco

empleado).

Hay que considerar la prdida de carga que supone la caldera.

En las calderas de vapor, el caudal de alimentacin ser la suma delvapor generado, ms las purgas que se realicen.

La parte del agua que no se vaporiza va aumentando el contenido de sales,lo que obliga a realizar purgas para mantener esa concentracin.

En las calderas de agua sobrecalentada no se suele consumir en losprocesos, sino que se recircula, por lo que, nicamente habr quereponer el agua perdida en eventuales fugas y purgas.

El caudal de agua de aportacin es mucho menor que en las de vapor y laconcentracin de las sales del agua apenas vara .

7.- Equipos auxiliares (IV)

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q p ( )

Tratamiento de agua

El tratamiento de agua de alimentacin, o reposicin depender de las

caractersticas de las aguas, y deber adaptarse a tal circunstancia.

Depsito de alimentacin y desgasificador

El tamao del depsito de alimentacin ha de permitir al menos una horade funcionamiento de la caldera como mnimo sin reponer agua tratada,

como reserva en caso de averas del sistema de tratamiento.

Desgasificacin trmica, a medida que se calienta el agua se irndesprendiendo los gases disueltos.

7.- Equipos auxiliares (IV)

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q p ( )

Bombas de alimentacin de agua

Las calderas industriales provistas dequemadores de combustibles lquidos o

gaseosos, deben estar equipadas con

un sistema de bomba de alimentacin.

Bombas centrfugas, de varias etapas,

con una curva Q-H que no sea plana.

La bomba debe estar diseada para trabajar con altas temperaturas.

Atencin a que el NPSHR > NPSHD evitar la cavitacin,.

Sistemas de regulacin de la alimentacin de agua

En las calderas industriales de vapor de vapor se utiliza el sistema de

regulacin continua.

8 Sistemas de regulacin de la carga

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8.- Sistemas de regulacin de la carga

Sistema de regulacin modulante o continua: es el sistema

empleado en calderas industriales, ya que es el que ofrece mejorrendimiento. Generando vapor: la seal primaria de gobierno es el valor de la

presin del vapor generado, que se toma a la salida de la caldera (que

llega al regulador principal del sistema. Este regulador posiciona lasvlvulas de combustible.

Las vlvulas de combustible y las clapetas del aire de combustin vanvariando su posicin, en funcin de la variacin del valor de la presindel vapor o, lo que es lo mismo, de la demanda.

Generando agua sobrecalentada: la seal primaria de gobierno, eneste caso, es el valor de la temperatura de impulsin del aguasobrecalentada que se toma a su salida de la caldera.

Sistema todo/nada: los quemadores se encienden y apagan alsobrepasar un valor de consigna.

Sistema de regulacin en escalones: los quemadores se

encienden a carga a carga mnima, o a carga mxima en funcinde la demanda.

9 Rendimiento y Potencia de una Caldera (I)

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9.- Rendimiento y Potencia de una Caldera (I)

Rendimiento instantneo: es aquel que se obtiene del conjunto

caldera quemador en un instante determinado y en condiciones de

marcha estabilizadas.

Rendimiento til, expresado en %, es la relacin entre el calor

transmitido al fluido caloportador y el PCI en unidad de tiempo.

100xComb.ConsumoxPCI

orcaloportadfuidoadq.QUtilRend. =

Rendimiento estacional: es el calor suministrado por la caldera alo largo de todo el ao entre el calor aportado por el combustible.

+

=

1Quem.NominalGasto

Quem.RealGasto1quemadorfuncio.hn

parado)Quem.nquedispon.(auhn1

ntneoRend.InstaEstac.Rend.

En los arranques y puesta a rgimen existen importantes prdidasen los humos, y otros en los que aunque no haya suministro lacaldera ha de estar disponible, por lo que existen prdidas deradiacin y conveccin por la envolvente.

9 - Rendimiento y Potencia (II)

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9.- Rendimiento y Potencia (II)

Lapotencia tiles el calor transmitido al fluido caloportador.

La potencia til nominales la mxima que garantiza el fabricante en

funcionamiento continuo.

Lapotencia til mnima es la ms baja a la que puede funcionar la caldera,

relacionado con un caudal y una temperatura mnimos.

La potencia til modulante es la que puede entregar la caldera como

consecuencia de la modulacin de la llama.

La potencia nominal, trmica, carga nominal o gasto calorficoes la energa procedente del combustible considerando el PCI..

En las calderas estndar en carga parcial el rendimiento se

reduce respecto al nominal, ya que deben trabajar a la mismatemperatura, y las prdidas en la envolvente se mantienen.

Para reducir la temperatura de envo sin disminuir la de retorno se

realiza con una vlvula de tres o cuatro vas a la salida.

9.- Rendimiento y Potencia (III)

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9. Rendimiento y Potencia (III)

En las calderas de baja temperatura el rendimiento en carga

parcialtiene el mismo lmite inferior que a carga total.

En las calderas de condensacin el rendimiento en cargaparcial es mayor que el nominal, ya que trabaja con unatemperatura inferior.

9.- Rendimiento y Potencia (IV)

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9. Rendimiento y Potencia (IV)

Las prdidas mayores son en el calor residualque se evacua con los

humos, del 5 al 15%; tambin son importantes las de la envolvente.

Los sistemas de recuperacin del calor de los humos:

Economizadores: precalientan el agua de alimentacin en las calderas

Recuperadores del calor de los humos: en ellos se calienta, con loshumos, de un fluido que pueden ser ajeno, o no, a la propia caldera.

Las limitaciones de estos elementos estn adems de en el Punto de

Roco Hmedo y en el Punto de Roco Acido.

Para disminuir la temperatura de los humos hay que aumentar el reade intercambio, lo que lleva a un tamao de caldera mayor, lo que

implica mayores prdidas estructurales.

10 - Seguridad y Control (I)

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10. Seguridad y Control (I)

Encendido de la chispa, puede ser:

Piezoelctrico; es un cristal de cuarzo de que se carga elctricamente

cuando se le deforma, no necesita conexin elctrica.

Por filamento incandescente; se calienta al paso de una corriente

elctrica; necesita conexin elctrica, y el filamento es muy frgil.

Por chispa de alta tensin; un transformador genera una tensin que

produce el salto de una chispa; es un sistema de larga vida pero necesitarconexin elctrica.

Apertura de paso de combustible y el comburente; debe quedar

cerrado cuando la caldera est parada; el paso de aire contribuye a

enfriar la caldera y con ello a bajar el rendimiento del sistema.

10.- Seguridad y Control (II)

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g y ( )

Control de encendido y mantenimiento de la combustin, laextincin es debida casi siempre a que, por una causa fortuita, la

proporcin aire/gas sobrepasa los lmites de inflamabilidad.

Los aparatos para evitar estos riesgos suelen ser:

Manostatos detectando la baja presin o alta presin de gas.

Detector de falta de aire comburente.

Dispositivo detectando extincin de la llama.

Bimetlicos, se deforman por calor.

Termopares, generan una cierta tensin al calentarse.

Electrnicos.

Actan sobre las vlvulas de seccionamiento del gas.

En caso de deteccin de la falta de combustin se debe proceder al

reencendido de la caldera.

10.- Seguridad y Control (III)

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g y ( )

Control del quemador; se debe controlar el encendido y/o modular la

potencia en funcin de las necesidades trmicas de la instalacin.

Control de la bomba y el ventilador, el paro de la bomba circuladora

implica un calentamiento excesivo del agua y de la caldera; el no

funcionamiento del ventilador puede llevar a que los gases no se evacuen,

lo que tambin supondr una temperatura excesiva en la caldera.

Control de nivel de agua en el interior de la caldera, la falta de agua

puede provocar el aumento de temperatura de la caldera.

Control de aparicin de inquemados por un analizador de gases.

Control de temperatura de los humos; la temperatura excesiva implica

fuertes prdidas; la baja riesgo de producir condensaciones.

Control de temperatura excesiva en la caldera; si la temperatura es

excesiva se pueden provocar puntos calientes que acortan la vida.

Control de condensados, si estos se producen, para proceder a suevacuacin y si es preciso a su neutralizacin.

10- Seguridad y Control (IV)

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g y ( )

Deteccin de falta de suministro elctrico; puede ser vital si los sensores

son elctricos (batera), si falla se debe parar la caldera.

Si el quemador lo necesita, aire comprimido, se instalar un depsito deseguridad, y ante su falta se proceder a parar la caldera..

Anomala

paro de seguridad, corte suministro y alarma

En el encendido hay que considerar los siguientes tiempos:

Tiempo de prebarrido: es el periodo de funcionamiento del ventilador antes de

encender la llama; elimina gases residuales.

Tiempo de preencendido: desde que se provoca la chispa hasta que se empieza a

suministrar combustible, con esto se logra un encendido suave.

Tiempo de seguridad: es el tiempo mximo en el que se puede suministrar

combustible a la caldera sin que aparezca la llama.

Tiempo de postencendido: es el periodo en el que se mantiene el sistema de

encendido despus de haber provocado la aparicin de la llama.

11 - Chimeneas (I)

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11. Chimeneas (I)

Conducto vertical por el cual se expulsan los humos de la combustin.

Para evitar el dao de los contaminantes han de estar a una cierta altura

y alejadas de puestas y ventanas.

El tiro es la depresin que se genera en la base de una chimenea como

consecuencia de la diferencia de peso especfico entre los humos y el

aire exterior.

Tiro (mm.c.a.) = H (h de la chimenea en m) (A- H) (kg/m3)

El tiro debe vencer la prdida de carga del aire y comunicar a los humos

cierta velocidad de salida.

Un tiro excesivo provoca una elevada velocidad y los gases salen muy

calientes; si es pequeo ocasiona dificultades en la combustin.

Los conductos horizontales largos deben evitarse y se ha de disponerregistros hermticos que permitan la limpieza.

11.- Chimeneas (II)

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Las chimeneas por normativa han de estaraisladas trmicamente, yaque de no ser as los gases se enfran en ella disminuyendo el tiro,pueden provocar condensaciones y quemaduras de personas antecontactos accidentales.

Las chimeneas han de serestancas para evitar que entren en presin.Y en su base deben tener un "saco" para recoger hollines y el posibleagua que entre por la boca.

La seccin de la chimenea debe ser constante en todo el recorrido,siendo las superficies interiores lisas.

Puede colocarse un cortatiro, que es un elemento colocado en elconducto de evacuacin de humos que evita el retroceso de estos. Al

final de la misma puede instalarse un aspirador esttico, que es unapieza que montada al final de la misma facilita el tiro minimizando oaprovechando el efecto del viento; o bien un deflectorque evite que elviento incidente produzca una sobrepresin que obstaculiza la salida de

los humos.

12.- Calderas Elctricas (I)

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12. Calderas Elctricas (I)

Ventajas: Limpias, sin humos.

Fcil instalacin, sin chimeneas ni combustibles.

Casi nulo mantenimiento, sin partes mviles.

Inconvenientes:

Alto precio de la energa elctrica

Gran potencia instalada Acumulacin

Tipos:

De acumulacin:

una resistencia en un depsito de agua

De acumulacin seca:

resist. ladr. refractarios aire agua

Instantneas

De electrodos

12.- Calderas Elctricas (II)

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13.- Otros Dispositivos

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p

Estufas elctricas Acumuladores de calor seco(resist. ladr. refr. aire)

Aerotermos

Colectores solaresPaneles radiantes

Generadores de aire caliente(combustin)