Calderos

Ing. Mayra Paucar, M.Eng.

Calderas

Ing. Mayra Paucar, M.Eng.

Las calderas: en ellas la energa de un combustible se transforma en calor para el calentamiento de un fluido.

Partes:

Hogar

Quemador

Humos

Intercambiador de calor

Fluido calor portador

Chimenea

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

Los turbuladores son elementos adicionales que tienen que introducirse en los intercambiadores de calor.

Transforman el flujo del gas o del lquido de "laminar" a "turbulento"; su presencia desacelera este flujo, mejora la velocidad de transferencia del calor y vuelve homogneo el calentamiento del intercambiador.

Este sistema, utilizado en las estufas o en las calderas, aumenta el rendimiento reduciendo los consumos y las consiguientes emisiones contaminantes en la atmsfera.

Ing. Mayra Paucar, M.Eng.

Calderas

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Combustin Oxidacin rpida [combustible - comburente] calor + PDC (humos, cenizas) a un nivel trmico aprovechable

el quemador es el encargado de realizar la mezcla (combustible-aire).

Los elementos bsicos que reaccionan son (I):

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

El carbono y el hidrgeno del combustible

Otros elementos (azufre), e inertes (cenizas)

Calderas

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Calderas

Combustin La cantidad de calor por unidad de masa (o volumen) que desprende un combustible al quemarse es el Poder Calorfico (kJ/kg, kJ/Nm3)

PCI (el agua de los humos no condensa)

PCS (condensa el agua de los humos)

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Calderas

Combustin estequiomtrica es una combustin con las proporciones justas de combustible y oxgeno para que todo el C del combustible se oxide a CO2 (sin producir CO, ni emplear exceso de aire).

Poder Comburvoro: aire necesario para la combustin estequiomtrica de 1 m3 de gas.

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Calderas

En la combustin completa todo el carbono se oxida en CO2 (para que se produzca en condiciones reales necesita exceso de aire).

La combustin incompleta se produce si existe combustible inquemado o CO

en los humos (se puede producir por falta de O2, o por mala mezcla aire-combustible)

El exceso de aire necesitado para producir combustiones completas depende de la homogenidad de la mezcla aire-combustible que se consiga en el quemador.

Contribuye a disminuir la T final y el nivel energtico de los humos se necesita para combustin completa, pero no es deseable con combustibles gaseosos aprox. el 10% del estequimtrico (1 m3/kwh).

El Indice de aireacin es la relacin entre el aire aportado a una combustin y el preciso para una combustin estequiomtrica.

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Calderas

Combustin

Poder Fumgeno: gases de combustin producidos por la combustin estequiomtrica de 1 m3 de gas.

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Calderas

Combustin

Inflamabilidad: medida de la facilidad que presenta un combustible para encenderse y de la rapidez con que, una vez encendido, se diseminarn sus llamas Necesita que la proporcin de O2 est en un rango (ni defecto de O2 ni de combustible).

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Calderas

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Calderas

Combustin

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Calderas

Combustin

T de Inflamacin: valor mnimo de T al cual debe ser llevada una mezcla (en proporciones de ser inflamable) para que la combustin pueda comenzar y propagarse.

T adiabtica de combustin: es la T que se obtendra en una combustin estequiomtrica; aumenta con la potencia calorfica del combustible.

T real de llama: es entre 200 y 300C inferior a la adiabtica

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Calderas

Combustin

El N2 se oxida si la T de la llama es elevada produciendo NOx La llama Azul no produce emisiones de NOx.

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Calderas

Combustibles

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Calderas

Combustibles

Propiedades de los combustibles:

Potencia o poder calorfico; el superior y el inferior

Poder comburvoro

ndice de aireacin

Poder Fumgeno; el seco y el hmedo

Inflamabilidad; lmites inferior y superior

Punto de roco; hmedo y cido

T de Inflamacin

T de Llama

Velocidad de propagacin de la llama: en un frente gaseoso

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Calderas

Combustibles

Propiedades del combustible

- ndice de Wobbe: (combustibles gaseoso), es el cociente entre el PCS y la raz cuadrada de la densidad relativa respecto del aire (MJ/m3).

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Calderas

Los combustibles slidos, importan el carbono fijo, la humedad, las cenizas y las materias voltiles; mala mezcla con el aire, ensucian superficies

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

Los combustibles gaseosos, butano, propano, gas natural Composicin variable, y el suministro puede ser por medio de canalizaciones a alta baja o media presin, con depsitos fijos o con depsitos mviles (bombonas); necesitan vaporizacin

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Calderas

Combustibles

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Calderas

Tipos de Calderas

Clasificacin por los materiales

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

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

Calderas murales; de diseo compacto y reducido, empleadas para instalaciones familiares de ACS y calefaccin actualmente se est incrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.

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Calderas

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Calderas Clasificacin por su aplicacin

Usos domsticos: calefaccin, ACS o mixtas

Generacin de energa para plantas termoelctricas: para la generacin de vapor

Plantas de cogeneracin: usan gases calientes, de recuperacin

Generacin de vapor o agua sobrecalentada en plantas industriales.

Clasificacin por T salida de los humos

Estndar: no soportan condensacin, T > 70C

Baja: soportan T agua retorno de 35 o 40C

Tubos de doble o triple pared gran tamao

Condensacin: la soportan de manera permanente

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Calderas

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

Clasificacin por la presin

Calderas atmosfricas

Calderas de depresin, funcionan por la depresin que se crea en la chimenea 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 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

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Calderas

Clasificacin por su diseo

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

Calderas acuotubulares, la llama se forma en un recinto 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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Calderas

Equipos AUTONOMOS

Se deben instalar en el exterior de los edificios, a la intemperie, en zonas no transitadas por el uso habitual del edificio.

Franja a su alrededor para mantenimiento

Para GLP, no deben existir ni desage ni comunicacin con el nivel inferior a menos de 1m

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Calderas

Calderas Murales

Incluyen, de manera compacta, todos los elementos de la central trmica. Hasta 60 kW, hoy en da se permite la asociacin de varias en paralelo. Las hay mixtas: con bitrmico, o con intercambiador exterior, algunas presentan microacumulacin para el A.C.S.

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Calderas

Calderas de Condensacin

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Calderas Cuando se trabaja a baja T se requiere mayor superficie emisora trmica. Para la misma T media en emisores, Interesa (Timp Tret) Caudal, Cond

Quemadores Pone en contacto el combustible y el comburente en cantidades y condiciones adecuadas. Para combustibles slidos: parrillas, mala regulacin, estn en desuso Para combustibles lquidos (I): vlvulas, filtros, elementos de control y de seguridad. De pulverizacin mecnica o por presin, colocan el lquido en rotacin de formando un cono de gotas que se mezcla con el aire. Necesitan presiones 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

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Calderas

Quemadores Para combustibles lquidos (II): De pulverizacin asistida, o inyeccin de fluido auxiliar, slo para combustibles pesados, junto con ellos se inyecta un fluido auxiliar formando una mezcla que se pulveriza fcilmente Rotativos, de pulverizacin centrfuga, 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 mviles, requieren un mantenimiento ms cuidadoso, pero es menos propenso al ensuciarse

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Calderas

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Calderas

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).

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Quemadores

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Calderas

Equipos Auxiliares Asociados a la caldera se instalan en la central trmica o sala de calderas. Ventiladores de aire de combustin Envan el aire al cajn, comn o individual, en el que estn alojados los quemadores En las instalaciones industriales se instala en un foso situado en el frente de la caldera, para amortiguar ruidos Las calderas estn en sobrepresin El accionamiento por correas y poleas permite ajustes posteriores en el caudal impulsado Entre el ventilador y el quemador se deben instalar juntas flexibles, para amortiguar las vibraciones y absorber las dilataciones de la caldera

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Equipos Auxiliares Circuito del fluido caloportador Hay que considerar la prdida de carga que supone la caldera La fuerza impulsora: Red de abastecimiento (circuitos abiertos) Bombas circuladoras Por termosifn (diferencia de densidades del agua caliente y fra, poco empleado). En las calderas de vapor, el caudal de alimentacin ser la suma del vapor generado, ms las purgas que se realicen (mantener la concentracin de sales). Tratamiento de agua El tratamiento de agua de alimentacin, o reposicin depender de las caractersticas de las aguas locales

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Equipos Auxiliares

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Calderas

Rendimiento y potencia de la Caldera

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Calderas

Existen tres tipos de Potencia til:

Potencia til nominal: mxima que garantiza el fabricante en continuo

Potencia til mnima: es la ms baja a la que puede funcionar la caldera, relacionado con un caudal y una temperatura mnimos

Potencia til modulante: la que puede entregar la caldera modulando la llama

La Potencia Nominal, Trmica, Carga Nominal o Gasto Calorfico es la energa procedente del combustible considerando el PCI

En las calderas estndar en carga parcial el rendimiento se reduce, ya que deben trabajar a la misma T, 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.

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Calderas

Rendimiento y potencia de la Caldera

Las prdidas mayores son en el calor residual que 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 los humos, 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 rea de intercambio, lo que lleva a un tamao de caldera mayor, lo que implica mayores prdidas estructurales.

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Calderas

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Seguridad y Control

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