Operaciones Unitarias

DISEÑO DE CALDERAS

ESQUEMA

PRINCIPIOS BASICOS DEL DISEÑO DE CALDERAS

La ingeniería de combustión es la “ciencia de quemas combustible para liberar calor y capacitarlo para desarrollar trabajo útil o proporcionar calefacción”.

La operación de una unidad generadora de vapor, comprende: 1. La conversión del potencial energético del combustible en energía térmica. 2. La transmisión de esta energía a un medio (generalmente vapor de agua), que pueda emplearse en un trabajo útil.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

El problema básico del diseño de una caldera, consiste en disponer la superficie total de absorción de calor de una manera tal, que extraiga el calor máximo obtenible del combustible y de los productos de la combustión. Al mismo tiempo aparece el problema económico de obtener la máxima eficiencia al costo mínimo posible.

1. Caldera2. Fogón3. Equipo par quemar el combustible4. Recolección y transporte de cenizas5. Separadores de vapor6. Agua de alimentación7. Sistema de purga8. Suministro de aire para la combustión9. Remoción de los productos de la combustión10. Cimentaciones y soportes11. Refractarios y mamparas12. Precalentamiento de aire y del agua13. Accesorios de la caldera

NECESIDADES DE SERVICIO

Para servicios de calefacción y procesos industriales, las consideraciones principales son, generalmente, en el orden de importancia que se enumeran:

1. Seguridad en el servicio2. Costo de adquisición3. Entrega inmediata4. Eficiencia5. Costo de operación6. Servicio adecuado

CARACTERISTICAS DE LA CARGA

Para el diseño de una unidad generadora de vapor, es necesario determinar las siguientes características de la carga:

1. Carga mínima, normal y máxima.2. Duración de cada una de esas fases de la carga.3. Factor de la carga4. Naturaleza de la carga, constante o intermitente.

El diseño determinará la capacidad de la caldera para sostener una carga normal con una eficiencia alta.

CARACTERISTICAS DEL COMBUSTIBLE

Las bases para el diseño de los mecanismos destinados a quemar, son determinados por las cualidades del combustible que ha de emplearse, teniendo en cuenta su valor calórico y sus propiedades. Además debe investigar la propiedades de las cenizas, incluyendo: Punto de fusión de la ceniza, pérdidas por combustible no quemado y presencia de azufre, vanadio y otros elementos extraños.

SISTEMAS DE COMBUSTION

Los combustibles sólidos se queman en fogones mecánicos o en parrillas, en forma de polvo o triturados. Los quemadores de aceite combustible se obtienen en numerosos tipos que incluyen: Vaporización, Rotatorios, de Cañón y Atomización por vapor o por aire.

La capacidad del equipo de combustión o el tamaño de la parrilla, determina la cantidad de combustible aplicable. Cada método de combustión tiene sus propias peculiaridades de diseño.

FLUJO DE LOS GASES

Para mantener la combustión es indispensable suministrar aire y desfogar los productos de la combustión. La corriente necesaria de los gases es originada por la diferencia de presiones entre el fogón y el punto de escape de los gases de la caldera, o sea el tiro; éste se puede conseguir por medios naturales (efecto de chimenea) o por los medios mecánicos (ventiladores). El tiro por elementos mecánicos puede ser originado por ventiladores de tiro forzado, de tiro inducido, o de ambas cosas a la vez.

AGUA DE ALIMENTACION

El agua que se introduce a la caldera para ser convertida en vapor, recibe el nombre de agua de alimentación. Si se trata de condensado que es recirculado, habrá pocos problemas. Pero si es agua cruda, probablemente habrá necesidad de liberarla de oxígeno, precipitados, sólidos en suspensión, sustancias incrustantes y otros elementos contaminantes.

Para obtener eficiencias altas, el agua de alimentación es calentada, generalmente, por medio de economizadores.

FOGON

La cámara de combustión debe tener el espacio suficiente para contener la flama. La forma del fogón se guía por el tipo de combustible a emplear y por el método seguido para quemarlo. Es necesario tomar las debidas providencias para mantener la ignición y la combustión de los gases volátiles.

FONDO DEL FOGON

La recolección y el retiro de las cenizas de una unidad alimentada con carbón mineral, es una operación laboriosa. Los desechos pueden removidos a mano en las calderas chicas o recolectados en tolvas en las grandes.

En algunas calderas de gran tamaño, es desfogada la escoria fundida por sangrías.

LA CALDERA

La función principal de la caldera propiamente dicha, es proporcionar un medio por el cual el calor procedente de la combustión se transmita al agua o al vapor que debe ser calentado.

La superficie de calefacción requerida depende de su clase, si es maria, secundaria, de supercalentamiento, recalentamiento, economizador o calentador de aire.

OPERACIÓN DE LA CALDERA

La transmisión de calor no solamente tiene que ser económica, sino también libre de defectos. Es una condición indispensable que una caldera sea fácilmente accesible para su mantenimiento, manejo y reparación por parte de su personal normal de operación. Es necesario tomar providencias para. La fácil limpieza de los tubos, química o mecánicamente; El sopleteo del hollín; El lavado de las superficies del economizador y del calentador del aire. El espaciamiento de los flusesdebe permitir su reposición individual en caso de fallas.

INVERSION

Las apreciaciones de la inversión comprenden los siguientes puntos:

1. Costo inicial del equipo.2. Costo del combustible.3. Mano de obra y materiales necesarios para la

operación, mantenimiento y reparaciones.4. Costos relacionados con la unidad tales como la

fuerza necesaria para el bombeo y los ventiladores, dispositivos para el manejo de cenizas, etc.

5. Duración prevista del equipo.

Para obtener una combustión correcta, es necesario introducir una cantidad mayor de aire a la teórica. Si Qat es la cantidad de aire teórica y Qar la cantidad real, la relación:

Se define como el coeficiente de exceso de aire. Este depende del tipo del combustible y de la forma en que se efectúa la combustión.

HOGAR

Los hogares pueden clasificarse en: Paralelos y Turbulentos

CANTIDAD DE AIRE Y GASES POR CADA Kg. DE COMBUSTIBLE

SUPERFICIE DE RADIACION

RELACION ENTRE EL CALOR ABSORBIDO Y EL CALOR LIBERADO EN EL HOGAR

VENTILADORES

Se utilizan para suministrar aire para la combustión, secado del carbón y extracción de gases de combustión. Se emplean dos tipos de ventiladores: Radiales o centrífugos y Axiales o tipo hélice.

Los ventiladores radiales se usan para velocidades reducidas y los axiales para velocidades altas, que dan un flujo mayor y altura reducida.

VELOCIDAD DEL VENTILADOR

POTENCIA DEL VENTILADOR

TIPOS DE QUEMADORES

TIPOS DE QUEMADORES

CALDERAS PIROTUBULARES

Las calderas antiguas requerían grandes refuerzos, por esta razón, se construyeron las calderas pirotubulares, de manera que el caudal de gases de la combustión se reparte en un gran número de tubos de diámetro pequeño que atraviesan el agua que contiene la caldera, las configuraciones de este tipo de caldera están influidas por las necesidades de transferencia térmica de modo que se puede extraer del combustible y del material la mayor parte del calor que las condiciones económicas lo permitan.

CLASIFICACION DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES

Calderas de hogar exterior:Calderas tubulares de retorno horizontalCaldera tipo económicoCaldera hogar de locomotora

• Calderas de hogar interior:• Calderas marina escocesa• Caldera tubular vertical• Caldera de serpentines

CALDERAS DE HOGAR EXTERIOR

Consta esencialmente de un cuerpo cilíndrico cerrado por medio de dos placas que se unen entre sí con dos barras de refuerzo para evitar las deformaciones que originan los grandes esfuerzos. Estos hogares se encuentran fuera del alcance del cuerpo de agua, o sea, no tienen un contacto directo con el cuerpo de agua a evaporar.

Caldera tubular de retorno horizontal

Caldera tipo económico

Caldera de Locomotora

CALDERAS DE HOGAR INTERNO

Consta esencialmente de un cuerpo cilíndrico cerrado por medio de dos placas que se unen entre sí con dos barras de refuerzo para evitar las deformaciones que originan los grandes esfuerzos. Estos hogares utilizan tubos corrugados para una mejor operación y transferencia de calor, estos tubos se encuentran fijados, por un lado, a la chapa frontal de la caldera y por la otra extremidad a la cámara de humo donde desembocan los gases de combustión.

Caldera tubular vertical

Caldera de serpentines

DISEÑO DE PAREDES DE TUBOS

TAMBOR DE VAPOR

SOPLADORES DE HOLLIN

PERDIDA DEBIDA A LOS GASES SECOS O HUMEDOS

Donde:

Pérdidas debidas al combustible sin quemar (kJ / kgcomb)

Donde:

Pérdidas de combustible sin consumir (kJ / kgcomb)

Pérdidas debidas a la humedad del aire suministrado (kJ / kgcomb)

Donde: