PRACTICAS DE PROCESOS UNITARIOS

COMBUSTION: CALDEROS

Ing. Rolando Pomareda Macedo

1.- CALDERAS1.-Introducción Las calderas: la energía de un combustibles se transforma en calor para el calentamiento de un fluido.Partes:• Hogar• Quemador• Humos• Intercambiador de calor• Fluido caloportador • Chimenea.

1.-Introducción Reducir el tamaño de la caldera implica:• Limitar el tamaño del intercambiador de calor (aletas,

turbuladores) [pérdida de carga en los humos es crítica]• Reducir el agua contenida disminuir el tiempo de respuesta• Hacer más inestable la temperatura de salida• Disminuir la pérdidas térmicas por la envolvente2.-Combustión Reacción [combustible - comburente] = calor a un nivel térmico aprovechable. El quemador es el encargado de que la mezcla sea la apropiada.La cantidad de calor por unidad de masa que desprende un

combustible al quemarse es el Poder Calorífico(kJ/kg). – PCI (el vapor de agua de los humos no condensa) – PCS (se condensa el vapor de agua de los humos)

2.-CombustiónLos elementos básicos que reaccionan son:• El oxígeno del aire como comburente (aprox. 1m3por kWh)• El carbono y el hidrógeno 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 reacción del Hidrógeno 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 reacción de Azufre es: S + O2= SO2+ 2.957 MJ/kg

2.-CombustiónLa combustión completa se llama estequiométrica, todo el

carbono se oxida en CO2. C + O2= CO 212 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 O2La combustión incompleta se produce si existe CO en los

humos.El aire contiene el 21% de O2 ,se necesitan 4,76 veces más de

aire.Conociendo la composición del combustible es posible conocer

la cantidad de oxígeno necesaria. m3/m3 aire COMBUSTIBLE 9,57 Metano 11,925 Butano 12,119 Propano 16,75 Etano(m3

Para obtener una combustión 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.

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

Punto de rocío húmedo y ácido = limitan la temperatura de los humos Gas Natural 155 gr.agua/kWh=(T humos mayor) Gasóleo C 87

gr.agua/kWh SO3+ H2O = SO4H2T > 130ºCLas superficies han de estar a temperaturas mayores: tubos de doble

pared (aumento del A intercambio), o mantener la temperatura de retorno a la caldera alta con un bypass

Calderas de condensación (materiales resistentes)

CLASIFICACION DE COMBUSTIBLESLos combustibles se clasifican en: sólidos, líquidos y gases. Propiedades de

los combustibles

– Potencia o poder calorífico; el superior y el inferior.

– Límite de inflamabilidad: porcentajes de combustible y aire en la mezcla, a presión y temperatura para que sea de forma auto sostenida

– Velocidad de propagación de la llama: en un frente gaseoso.

– Temperatura de ignición; punto de inflamación (combustibles líquidos); temperatura a la cual la velocidad de combustión es lo suficientemente elevada para que la combustión se propague

– Indice Wobbe; (combustibles gaseosos),es el cociente entre el PCS y la raíz cuadrada 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).

Los combustibles sólidos, importan el carbono fijo, la humedad, las cenizas y las materias volátiles.

Los combustibles líquidos, fuel óleo (↑S2), y gasóleo C. Distribución en camiones cisterna y almacenamiento en un depósito central, alcanzando la caldera por una red de tuberías.

Los combustibles gaseosos, butano, propano, gas natural. Composición variable, y el suministro puede ser por medio de canalizaciones a alta baja o media presión, con depósitos fijos o con depósitos móviles (bombonas); necesitan vaporización

Los combustibles líquidos y gaseosos logran mejor mezcla con el aire, y ensucian menos que los sólidos

Caldera acuotubular

CALDERA PIROTUBULAR

Tubo de nivel de tipo Klinger

Los Detectores / Controladores de Nivel son instrumentos diseñados para determinar las condiciones de Nivel en tanques, a fin de accionar dispositivos de alarma y control

6.-Quemadores Es el dispositivo que pone en contacto el combustible y el

comburente en cantidades y condiciones adecuadas. Para combustibles sólidos: parrillas, mala regulación,

están en desuso. Para combustibles líquidos: valvulería, filtros, elementos

de control y de seguridad.– De pulverización mecánica o por presión, colocan el

líquido en rotación de forma que se convierte en un gran número de pequeñas gotas agrupadas en un cono que ofrecen gran posibilidad de mezcla con el aire.

Necesitan que el combustible este a una presión entre 16 y 20 bar, que ha de ser suministrada por la bomba del combustible.

Los combustibles pesados, como el fuel, precisan precalentarse por su elevada viscosidad.

Para combustibles líquidos:

–De pulverización asistida, o por inyección de fluido auxiliar Sólo para combustibles pesados, junto con ellos se inyecta un fluido auxiliar formando una mezcla que se pulveriza fácilmente.

Rotativos, de pulverización centrífuga Una copa que gira a gran velocidad, distribuye el combustible y lo lanza perimetralmente hacia delante en forma de tronco de cono.

Al tener elementos móviles, requieren un mantenimiento más cuidadoso que los de pulverización mecánica, si bien son menos propensos al ensuciamiento

Quemadores para combustibles gaseosos; son más sencillos que los de líquidos, ya que la mezcla con el aire se consigue más fácilmente.

La valvulería, filtros, elementos de control y seguridad.– Quemador atmosférico: la presión del gas provoca la

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

La regulación de potencia se controla con la sección de paso del combustible.

Quemador de premezcla: el aire, incluido el exceso, se mezcla con el gas antes del quemador, no existiendo aire secundario.

Para combustibles gaseosos:– De flujo paralelo, con mezcla por turbulencia,

el aire llega paralelo al eje del quemador, se pone parcialmente en rotación por la acción de la roseta (dispositivo con aletas), estaño ocupa toda la sección del conducto de aire; el espacio anular permite conservar una parte del aire en movimiento axial.

PARTES DEL QUEMADOR: Quemadores Oxígeno – Petróleo:

1. Tubería de Oxígeno:

2. Tubería de Petróleo:

3. Mezclador: es una cámara situada a continuación de la boquilla para petróleo, en ella se da la mezcla entre el combustible y el carburante.

4. Distribuidor: Constituido por una serie “tubing” (tubos delgados) que van conectados a la boquilla, su función es la de repartir el petróleo en forma uniforme a la boquilla para su atomización.

5. Boquilla: Es un dispositivo encargado de enviar al medio ambiente el petróleo para su combustión, por la ausencia o mal funcionamiento de ésta puede incrementarse el consumo de combustible o disminuir, ocasionando problemas en la fusión de esa zona.

6. Cámara de Refrigeración: Se trata de una tubería que lleva en su interior los dispositivos anteriores y que presenta en cada extremo superior una copla utilizada como entrada y salida del agua de refrigeración. Es imprescindible que este sistema sea hermético con respecto a los accesorios mencionados anteriormente para impedir el ingreso de agua al caldero o la fuga de cualquiera de los dos elementos de combustión

2. TIPOS DE QUEMADORES1. Quemadores para combustibles sólidos: Emplean

parrillas, tienen mala regulación, están en desuso.

2. Quemadores para combustibles líquidos: Utilizan valvulería, filtros, elementos de control y de seguridad. Dentro de estos tenemos:

De pulverización mecánica o por presión:Colocan el líquido en rotación de forma que se convierte

en un gran número de pequeñas gotas agrupadas en un cono que ofrecen posibilidad de mezcla con el aire.

De pulverización asistida, o por inyección de fluido auxiliar: Sólo para combustibles pesados,

TRATAMIENTO DE AGUA

1.-La fase de retrolavado quita la suciedad del tanque 2. Recargar el depósito mineral con sodio de la solución de la salmuera desplaza el calcio y el magnesio, que entonces entra el dren. 3. La fase final enjuaga el depósito mineral con agua fresca y carga de salmuera el depósito que está listo para el próximo ciclo.

7 seguridad industrial

Seguridad y Control• Encendido de la chispa, puede ser: – Piezoeléctrico; es un cristal de cuarzo de que se

carga eléctricamente cuando se le deforma, no necesita conexión eléctrica.

– Por filamento incandescente; se calienta al paso de una corriente eléctrica; necesita conexión eléctrica, y el filamento es muy frágil.

– Por chispa de alta tensión; un transformador genera una tensión que produce el salto de una chispa; es un sistema de larga vida pero necesitara conexión eléctrica.

• Apertura de paso de combustible y el comburente; debe quedar cerrado cuando la caldera está parada; el paso de aire contribuye a enfriar la caldera y con ello a bajar el rendimiento del sistema.

• mantenimientode la combustión, la extinción es debida casi siempre a que, por una causa fortuita, la proporción aire/gas sobrepasa los límites de inflamabilidad.

Los aparatos para evitar estos riesgos son: • Manostatos detectando la baja presión o alta presión

de gas.• Detector de falta de aire comburente.• Dispositivo detectando extinción de la llama. Bimetálicos, se deforman por calor. Termopares, generan una cierta tensión al calentarse. Electrónicos. Actúan sobre las válvulas de

seccionamiento del gas. • En caso de detección de la falta de combustión se

debe proceder al reencendido de la caldera.

• Control del quemador; se debe controlar el encendido y/o modular la potencia en función de las necesidades térmicas de la instalación.

• 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 también supondrá 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 aparición de inquemados por un analizador de gases.

• Control de temperatura de los humos; la temperatura excesiva implica fuertes pérdidas; 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 su evacuación y si es preciso a su neutralización.

– Detección de falta de suministro eléctrico; puede ser vital si los sensores son eléctricos (batería), si falla se debe parar la caldera.

– Si el quemador lo necesita, aire comprimido, se instalará un depósito de seguridad, y ante su falta se procederá a parar la caldera.

Anomalía = paro de seguridad, corte suministro y alarmaEn 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 máximo en el que se puede suministrar combustible a la caldera sin que aparezca la llama.

– Tiempo de post encendido: es el periodo en el que se mantiene el sistema de encendido después de haber provocado la aparición de la llama.

11.- Chimeneas Conducto vertical por el cual se expulsan los humos de la combustión. Para evitar el daño de los contaminantes han de estar a una cierta altura y alejadas de puestas y ventanas.

El tiro es la depresión que se genera en la base de una chimenea como consecuencia de la diferencia de peso específico entre los humos y el aire exterior.

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

El tiro debe vencer la pérdida 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 pequeño ocasiona dificultades en la combustión.

Los conductos horizontales largos deben evitarse y se ha de disponer registros herméticos que permitan la limpieza.

Las chimeneas por normativa han de estar aisladas térmicamente, ya que de no ser así los gases se enfrían en ella disminuyendo el tiro, pueden provocar condensaciones y quemaduras de personas ante contactos accidentales.

Las chimeneas han de ser estancas para evitar que entren en presión. Y en su base deben tener un "saco" para recoger hollines y el posible agua que entre por la boca.

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

Puede colocarse un corta tiro, que es un elemento colocado en el conducto de evacuación de humos que evita el retroceso de estos. Al final de la misma puede instalarse un aspirador estático, que es una pieza que montada al final de la misma facilita el tiro minimizando o aprovechando el efecto del viento; o bien un deflector que evite que el viento incidente produzca una sobre presión que obstaculiza la salida de los humos.

MEDIDAS ATOMARSE AL BAJAR EL NIVEL DEL AGUA• Durante el funcionamiento de la caldera deberá prestar atención al

nivel del agua, evitar que este descienda más abajo de la señal que existe en el tubo de nivel, o que la caldera se quede sin agua.

• Para evitar indicaciones falsas es necesario realizar su purga periódicamente para eliminar todas las impurezas

• Al descender el agua más abajo de la señal pueden quedar muchas partes de la caldera expuestas, por un lado, al calor de las llamas o de los gases, y del otro lado sin la protección del agua, elevándose la temperatura del metal y disminuyendo en consecuencia su resistencia mecánica.

• Si el calentamiento de la chapa llega a ser excesivo, como en el interior de la caldera existe una presión relativamente grande, la chapa puede romperse produciéndose una explosión.

• A medida que el agua desciende se produce este mismo fenómeno con las hileras de tubos que el agua descubre. Debido al calentamiento que experimenta la placa tubular ésta se deforma, pudiendo producirse fugas en las costuras roblonadas.

• En general, es muy difícil que una caldera de retorno de humo explote, pues las fugas de vapor, anteriormente señaladas, llaman la atención del foguista, quien puede tomar las medidas que se indican más adelante.

• En las calderas acuotubulares ocurre algo parecido; en efecto, a medida que el agua baja aquella parte de los tubos que va quedando sin agua se recalienta y se dilata, destruyéndose el cierre mandrilado en su unión con el cuerpo cilíndrico de la caldera. Como consecuencia de este recalentamiento y del esfuerzo del vapor algunos tubos pueden reventar.

• Si a pesar de las precauciones que puede tomar el personal a cargo de una caldera, el nivel del agua llega a bajar peligrosamente, deben tomarse, sin perdida de tiempo, medidas de seguridad. Lo principal es evitar, dentro de lo posible, el choque térmico que resulta del enfriamiento brusco de una chapa recalentada perteneciente a un recipiente sometido a presión.

Control del nivel de agua El control de nivel de agua del caldero, se realiza mediante una columna de agua con un flotador o boya en su interior ,cuyo movimiento acciona un par de bulbos de vidrio con mercurio, que activan la bomba de alimentación de agua del caldero cuando el nivel es bajo, y desconecta dicha bomba cuando el nivel de agua es alto.

PRESOSTATO DE SEGURIDAD

Control de presión El quemador de un caldero está en funcionamiento cuando la presión del agua caliente oscila entre una presión baja y alta. Estas presiones se regulan en un presostato según la necesidad del consumidor. Cabe indicar que los calderos poseen un presostato de seguridad, además del presostato principal, cuya función es de apagar el circuito del quemador cuando el presostato principal no lo ha hecho debido a una falla.

ABLANDADORES DE AGUALa razón fundamental del ablandamiento de aguas de alimentación a los calderos es de evitar depósitos de lodo e incrustaciones que dan lugar a la corrosión de las superficies internas del calderos.

Las incrustaciones duras que se forman retardan el flujo de calor y, en consecuencia, la elevación de la temperatura del metal y más consumo de combustible.

Evitar el uso de aguas duras en las calderas.

Mantener la concentración de impurezas dentro de los límites aceptables.

Seguir rigurosamente los tratamientos químicos externos e internos del agua.

Eliminar de las aguas de las calderas las purgas residuales

PREVENCIÓN DE FORMACION DE INSCRUSTACIONES