CALDERAS

La Combustión

• Proceso de Oxidación con el oxígeno de la

atmósfera de una sustancia susceptible a tal

proceso.

• Hay generación de energía radiante en todo el

espectro electromagnético.

• Radiación se concentra en el infrarrojo y luz

visible.

• La sustancia a ser oxidada debe ser un elemento

o producto químico dador de electrones.

• La sustancia oxidante debe ser un aceptor de

electrones.

Combustible

• Es toda sustancia dadora de electrones o que se

combina con el oxigeno.

• Viene en varios estados

– Sólido

– Líquido

– Gaseoso.

• Los dos primeros estados involucran gasificación

del combustible en un proceso llamado pirólisis.

• El segundo no lo requiere, ya que es gaseoso.

Comburente

• Es toda sustancia que reacciona con el

combustible oxidándolo.

• Es un aceptor de electrones.

• El mas comúnmente utilizado es el oxígeno

puro o el contenido en la atmósfera.

• La atmósfera tiene un 21% en volumen de

O2 y un 79% en volumen de Nitrógeno.

La Reacción de Combustión

• Para la quema estequiométrica (suministro del oxigeno

justo para la combustión) la reacción es :

)(2

)()(4

)4()( 222 gOH

ngmCOgO

nmgHC nm

En esta ecuación:

m = número de carbonos en el combustible

n = número de Hidrógenos en el combustible

CONSIDERACIONES:

• En esta fórmula se indica que todos los

reactantes (lado izquierdo de la reacción ) y

todos los productos de reacción (lado derecho )

están en fase gaseosa.

• La fórmula es universal.

• Si se usa aire para la combustión, solamente

reaccionará el Oxigeno. El Nitrógeno no debe

aparecer en la fórmula ya que no es reactante.

La Llama

• Llamada también flama

• Los reactantes, para combinarse, pasan a unestado denominado excitado.

• Este estado excitado está compuesto porradicales libres.

• Estos radicales libres chocan violentamenteentre si, reaccionando.

• Los choque generan energía en forma de luz ycalor.

• A dicho estado se le llama plasma.

• Llama estable durante el encendido y la

operación

• Punto de ignición cerca de la tobera

• Llama fuertemente brillante

• Longitud y diámetro de la llama ajustables

• Posición ajustable de la punta del quem

EXIGENCIAS AL QUEMADOR

• Inyección central de combustible

• Bajo consumo de aire primario

• Diseño robusto con pocas partes móviles

• Apropiado para combustibles alternativos

CRITERIOS DE DISEÑO

Temperatura de la Flama

Adiabática

• Es la máxima temperatura que puede alcanzar la

llama en una reacción de combustión, dado que

se logra la estequiometría.

• Se calcula asumiendo que la llama es adiabática,

es decir, no irradia calor ni lo transmite por

conducción y/o convención a sus alrededores.

• Está tabulada en la mayoría de la literatura

técnica.

oxigeno

combustible

luz

calor

Medio

ambiente

Pirolisis combustible e inicio

reacción

La Energía en la Combustión

QUEMADOR• Es el encargado de que la mezcla sea la

apropiada.

• La cantidad de calor por unidad de masa quedesprende un combustible al quemarse es elPoder Calorífico (kJ/kg)– PCI (el vapor de agua de los humos no condensa)

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

• Los elementos básicos que reaccionan son:

• El oxígeno del aire como comburente (aprox.

1 m3 por 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

ESTEQUIOMETRIA

• 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

EXCESO DE AIRE

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 disminuye la Tª final y el nivel

energético.

Punto de rocío húmedo y ácido ⇒ limitan la temperatura de los humos

Gas Natural 155 g agua/kWh⇒(T humos mayor)

Gasóleo C 87 g agua/kWh

SO3 + H2O = SO4H2 T > 130°C

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 autosostenida

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).

QUEMADOR DE PULVERIZACION

Q

U

E

M

A

D

O

R

R

O

T

A

T

I

V

O

QUEMADOR COMBUSTIBLE GASEOSO

QUEMADOR DE GAS A BAJA PRESION

QUEMADOR TIPO DUAL ( GAS / PETROLEO)

ENCENDIDO DE LA CHISPA• Piezoeléctrico; es un cristal de cuarzo de que se

carga eléctricamente cuando se le deforma, nonecesita conexión eléctrica.

• Por filamento incandescente; se calienta alpaso de una corriente eléctrica; necesita conexióneléctrica, y el filamento es muy frágil.

• Por chispa de alta tensión; un transformadorgenera una tensión que produce el salto de unachispa; es un sistema de larga vida pero necesitaconexión eléctrica.

• Apertura de paso de combustible y elcomburente; debe quedar cerrado cuando lacaldera está parada; el paso de aire contribuye aenfriar la caldera y con ello a bajar el rendimientodel sistema.

CONTROL DE ENCENDIDO

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

suelen ser:

•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.

TIEMPOS DE ENCENDIDO

• Tiempo de prebarrido: es el periodo defuncionamiento del ventilador antes de encenderla llama; elimina gases residuales.

• Tiempo de preencendido: desde que se provocala chispa hasta que se empieza a suministrarcombustible, con esto se logra un encendidosuave.

• Tiempo de seguridad: es el tiempo máximo en elque se puede suministrar combustible a lacaldera sin que aparezca la llama.

• Tiempo de postencendido: es el periodo en elque se mantiene el sistema de encendidodespués de haber provocado la aparición de lallama.

FORMACION DE INQUEMADOS

a)Por falta de aire a nivel de combustión. Ya sea por

falta global de aire o por malas mezclas de aire e

hidrocarburo

b) Por los fenómenos de cracking y de reforming,

que conllevan la formación de grafito

c) El grafito o el compuesto carbonoso de alto peso

molecular se forma cuando la combustión quema

a poca velocidad, provocando combustión

incompleta, lo que es una función exponencial de

la temperatura.

DISEÑO DEL QUEMADOR

Parámetros de diseño:

- Tipo de combustible a quemar

- Potencia calorífica

mV

h

Qm

hmQ

SELECCIÓN DE COMPONENTES

BOMBA

- Caudal

- Presión

- Aplicación

MOTOR

HPPV

Wbomba1714

MONTAJE MOTOR Y BOMBA

BOQUILLA DE TIPO REMOLINO

BOQUILLAS NORMALIZADAS

Boquilla N° Caudal (GPH) Angulo (°) marca

1 1 80 Devalan

2 1 45 SH

3 1.75 30 HAGO

4 2 30 HAGO

5 2.25 45 HAGO

6 3 45 HAGO

7 3 60 HAGO

Cono de rocío: de 5 a 15°

L/do (0.2 – 0.5)

L (de la tobera) se determina por:

- ∆L de P

- ∆L de H

- ∆L de v

a lo largo de la tobera

TANQUE DE SUMINISTRO Y ALMACENAMIENTO

DIAGRAMA DEL SISTEMA DE INYECCION DE COMBUSTIBLE

Depósito

combustible

Línea

succión

Válvulas

cierre

Filtro

combustible

Bomba

combustible

manómetro

Válvula

cheque

Válvula

reguladora de

presión

Línea

descarga

Línea de retorno

Boquilla

inyección

PARAMETROS DE DISEÑO DEL VENTILADOR

DIMENSIONES

Ancho del rotor succión b1 cm

Ancho del rotor descarga b2 cm

Lado A de la descarga cm

Lado B de la descarga cm

Rmax cm

Rd = D1/D2

Area de descarga As m2

V

E

N

T

I

L

A

D

O

R

CURVA CARACTERISTICA DE VENTILADORES

CON EL MISMO DIAMETRO DE RODETE

VENTILADOR

• Aplicación

• Caudal

• Presión de trabajo

• Diámetro exterior del rodete

V

2

2

11int

2

.:d

d

n

ugráfico

Angulo medio de los álabes

l

tz

Triangulo de velocidades

Pérdidas internas en cada zona:

Pérdidas hasta la entrada de los alabes

Pérdidas en el rodete

Pérdidas en el difusor

Rendimiento volumétrico

Par transmitido por el eje al rotor

Ancho de entrada de los álabes

Ancho del rodete a la salida

Los álabes se construyen mediante un arco

de círculo

R

E

G

U

L

A

C

I

O

N

DEL

C

A

U

D

A

L

ELECTRODOS Y BOQUILLA DE COMBUSTIBLE

ELECTRODOS

BOQUILLA

Q

U

E

M

A

D

O

R