Tema 13.- CALDERAS. CHIMENEAS.

1. Definiciones

Caldera.-Es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

Caldera de vapor.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua.

Caldera de agua caliente.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110°.

Caldera de agua sobrecalentada.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110°.

Caldera de fluido térmico.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es un líquido distinto del agua.

Economizador precalentador.-Es un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentación de la misma.

Sobrecalentador.-Es un elemento en donde, por intercambio calorífico, se eleva la temperatura del vapor saturado procedente de la caldera.

Recalentador.-Es un elemento en donde, por intercambio calorífico, se eleva la temperatura del vapor parcialmente expansionado.

Calderas de nivel definido.-Son aquéllas calderas que disponen de un determinado plano de separación de las fases líquida y vapor, dentro de unos límites previamente establecidos.

Calderas sin nivel definido.-Son aquéllas calderas en las que no haya un plano determinado de separación entre las fases líquida y vapor.

Calderas automáticas.-Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial en servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica. Asimismo se considerarán como automáticas las calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de una acción manual, salvo para cada puesta en marcha de su sistema de aportación calorífica después de que éste haya sufrido un paro ocasionado por la acción de alguno de sus órganos de seguridad o de regulación.

Calderas manuales.-Se considerará como manual cualquier caldera cuyo funcionamiento difiera del de las anteriormente definidas como automáticas.

Superficie de calefacción.-Es la superficie de intercambio de calor que está en contacto con el fluido transmisor. Se tomará como superficie de radiación el valor correspondiente a la superficie radiante del hogar y de las cámaras del hogar en calderas pirotubulares y la proyectada de la paredes del hogar en calderas acuotubulares. La superficie de convección vendrá dada por la superficie real bañada por el fluido transmisor correspondiente a las zonas no expuestas a la llama.

Presión de diseño.-Es la máxima presión de trabajo a la temperatura de diseño y será la utilizada para el cálculo resistente de las partes a presión del aparato.

Presión máxima de servicio.-Es la presión límite a la que quedará sometido el aparato una vez conectado a la instalación receptora.

Temperatura de diseño.-Es la temperatura prevista en las partes metálicas sometidas a presión en las condiciones más desfavorables de trabajo.

Temperaturas de servicio.-Son las diversas temperaturas alcanzadas en los fluidos utilizados en los aparatos en las condiciones normales de funcionamiento.

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2.-Funcionamiento

Funcionan mediante la transferencia de calor, producida generalmente al quemarse un combustible, al agua contenida o circulando dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:

a) Zona de liberación de calor u hogar o cámara de combustión:

Es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.

Interior: El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.

Exterior: Hogar construido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.

La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por Radiación (llama-agua).

b) Zona de tubos:

Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por convección (gases-agua). Está constituida por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.

3.- Clasificación

Existen varias formas de clasificación de calderas, entre las que se pueden señalar:

3.1) Según su movilidad:

a) fija o estacionaria

b) móvil o portátil

3.2) Según la presión de trabajo:

a) baja presión 0 a 2,5 bar

b) media presión. 2,5 a 10 bar

c) alta presión. 10 a 220 bar

d) supercríticas : más de 220 bar

3.3) Según su generación:

a) de agua caliente

b) de vapor: - saturado (húmedo o seco) - recalentado

3.4) Según la circulación de agua dentro de la caldera:

a) circulación natural: el agua se mueve por efecto térmico

b) circulación forzada: el agua se hace circular mediante bomba

3.5) Según la circulación del agua y de los gases calientes en la zona de tubos de las calderas. (*):

a) Pirotubulares o de Tubos de Humos:

En estas calderas los humos pasan por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea.

b) Acuotubulares o de Tubos de Agua:

El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura y se usan en plantas térmicas para generar potencia mediante turbinas.

(*) Es posible encontrar también, para bajas capacidades, calderas con tubos de humo y tubos de agua, denominadas Calderas Mixtas.

3.6) Según el tipo de combustible:

a) Sólido: Carbón, biomasa, etc.

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b) Líquido: Fuel oil, queroseno, etc.

c) Gaseoso: GLP, gas natural, etc.

4.- Características principales de calderas pirotubulares.

Básicamente son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de formas cilíndricas o semicilíndricas, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior circulan los gases de combustión.

Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño es limitado. Sus dimensiones alcanzan a 5 m de diámetro y 10m de largo. Se construyen para flujos máximos de 20.000 kg/h de vapor y sus presiones de trabajo no superan los 18 bar.

Pueden producir agua caliente o vapor saturado (*). En el primer caso se las instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones de agua. En el caso de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 an sobre los tubos superiores.

Entre sus características se pueden mencionar:

- sencillez de construcción

- facilidad de inspección, reparación y limpieza - gran peso

- lenta puesta en marcha

- gran peligro en caso de explosión o ruptura debido al gran volumen de agua almacenada.

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5.- Características principales de calderas acuotubulares.

Se componen de uno o más cilindros que almacenan el agua y vapor (colectores) unidos por tubos de pequeño diámetro por cuyo interior circula el agua.

Estas calderas son apropiadas cuando los requerimientos de vapor, en cantidad y calidad son altos.

Se construyen para capacidades mayores a 5.000 kg/h de vapor (5 ton/h), con valores máximos en la actualidad de 2000 ton/h. Permiten obtener vapor a temperaturas del orden de 550°C y presiones de 200 bar o más.

- Debido a que utilizan tubos de menor diámetro, aceptan mayores presiones de trabajo, absorben mejor las dilataciones y son más seguras.

- Su peso en relación a la capacidad es reducido. - Requieren poco tiempo de puesta en marcha. - Son más eficientes.

- No se construyen para bajas capacidades debido a que su construcción más compleja las hacen más caras que las calderas pirotubulares.

Clasificación:

- Tubos rectos

- Tubos curvados con dos o más colectores

- Circulación forzada.

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6.-Especificaciones tecnicas.

6.1) Capacidad

La capacidad de una caldera, es una de las especificaciones técnicas más importantes, está determinada por la cantidad de calor absorbido por el agua desde los productos de combustión. Se puede indicar de las siguientes maneras:

a) Capacidad calórica: Q (kJ/ h)

Es la cantidad de calor por hora que recibe el agua en la caldera considerando rendimiento máximo. Es decir es un flujo de calor que también se puede expresar en tras unidades de medida tales como kW, MW, BTU/h

Se calcula realizando un ensayo o prueba térmica de la caldera, midiendo el consumo real de agua o producción horaria de vapor (mv) y la energía (entalpía) del agua a la entrada (liquido subenfriado) y a la salida (según aplicación puede ser líquido subenfriado a mayor temperatura, vapor húmedo, vapor sobrecalentado u otro caso).

Corresponde al flujo de calor absorbido en varios cidos termodinámicos de trabajo con vapor de agua (Qabs).

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Las entalpías h1 y h2 se obtienen de tablas o diagramas de vapor conociendo o midiendo presión y temperatura (o título).

b) HP Caldera (BHP): Es una antigua forma de expresar la capacidad de una caldera, que aún se utiliza, se indica en la placa. 1 BHP = 8441,61 kcal/h.

6.2) Masa Nominal de Vapor: mn (kg I h).

En rigor es el flujo másico de vapor que produciría una caldera si trabaja a la presión de una atmósfera absoluta (pman = 0), temperatura del agua a la entrada 100 C (líquido saturado) y produce vapor saturado seco a 100 C En consecuencia, otra forma de definir la capacidad calórica de una caldera es: Conociendo la masa nominal, se tiene:

Q = mn (hv - hl) a 100 C

Normalmente la masa efectiva de vapor (mv) que produce una caldera es menor que la masa nominal (mn).

6.3) Superficie de calefacción: SC ( m2 )

Es toda superficie de transferencia de calor que existe entre el agua (fluido frío) y los gases (fluido caliente). Se mide por el lado del fluido caliente. A mayor SC aumenta la capacidad de la caldera. Una caldera puede poseer distintos bancos de tubo que constituyen su SC, tales como tubos vaporizadores, sobrecalentadotes, economizadores.

6.4) Coeficiente de evaporación: c.e. kg / ( h . m2 )

Este coeficiente indica en forma aproximada la masa nominal (mn) que produce una caldera por cada m2 de superficie de calefacción. Se define como SC directa aquella donde se transfiere calor por radiación (en el hogar principalmente) y SC indirecta donde el calor se transfiere por convección (zona de tubos). El c.e. se encuentra tabulado para distintos tipos de calderas.

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7.- Balance térmico y rendimiento de calderas.

7.1.- Balance térmico

Consiste en aplicar el Principio de Conservación de la masa y de la energía a una Caldera o Generador de Vapor, trabajando a régimen estable. Su objetivo es cuantificar las energías (o flujos de calor) que entran y salen del equipo, permitiendo evaluar la importancia relativa de cada una de ellas.

Un balance térmico realizado correctamente, exige la identificación de todas las energías (o flujos de calor) transferidas. Sin embargo, por razones prácticas o por limitaciones en la adquisición de datos, es frecuente la aplicación de un Balance Térmico Simplificado, que considera sólo aquellas energías de mayor relevancia.

En el balance térmico se debe definir una temperatura de referencia que en general es OOC además, se consideran las ganancias y las pérdidas de energía asociada a masas o flujos másicos, como asimismo algunas pérdidas de calor que no están vinculadas a una masa o flujo másico, como por ejemplo las pérdidas por radiación y convección al ambiente

Energías (o flujos de calor) que entran = Energías (o flujos de calor) que salen

Ecomb (PCI) + Ecomb (sensible) + Eaire + Eagua = Evapor + Ep.c. + Epérdida

Ecomb (PCI) + Ecomb (sensible) + Eaire = Evapor - Eagua + Ep.c. + Epérdida

GANANCIAS DE CALOR = CALOR AL AGUA + PERDIDAS DE CALOR

En las ecuaciones siguientes "En se calcula como energía en la unidad de tiempo es decir, como flujo de calor o potencia.

a) Cálculo de las Ganancias de Calor:

Ecomb (PCI): Flujo de energía entregada por el poder calorífico inferior del combustible. Es el aporte más importante de energía.

Ecomb (PCI) = mc . PCI (Kcal/h)

mc = Consumo de combustible (Kg/h) PCI = Poder calorífico inferior (kJ/kg)

Ecomb (S): Flujo de calor sensible que depende de la temperatura con que ingresa el combustible a la cámara de combustión (hogar). Es importante sólo si existe precalentamiento de combustible.

Ecomb (S) = mc. hc (Kcal/h)

mc = consumo de combustible (Kg/h)

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hc = entalpía del combustible (Kcal/kg) = CPcomb. (Tcomb - Tref)

Tcomb = temperatura de ingreso del combustible a la cámara de combustión.

Eaire: Flujo de calor sensible que depende de la temperatura con que ingresa el aire al hogar. Es importante sólo si existe precalentemiento de aire.

Eaire = mc. Ra/c . ha (kW)

mc = consumo de combustible (Kg/h)

Ra/c = razón aire combustible real de la combustión (kgaire/kgcomb). Se determina del análisis de combustión.

ha = entalpía del aire (kJ/kg) = CPaire . (Taire - Tref). CPaire = 1 kJ/(kg.K)

Taire = temperatura de ingreso del aire a la cámara de combustión.

b) Cálculo del calor al agua Qw:

Qw Es el flujo de calor absorbido por el agua. Determina la capacidad de la caldera.

Qw = Evapor - Eagua = mw. (h2 - h1) Kcal/h

mw = cantidad de agua consumida (o vapor generado) Kg/h, donde h1, h2 son las entalpías del agua a la entrada y salida (kJ/kg). Se obtienen de tablas de vapor.

c) Cálculo de las pérdidas de calor:

Ep.c. : Es el flujo de calor que se pierde en los productos de la combustión que salen por la chimenea al ambiente. Es la pérdida más importante e implica un análisis detallado de la combustión. A continuación se indica una forma de cálculo aproximada.

Ep.c. = mg.hpc (kJ/kg)

mg = flujo de gases de combustión mg = ma + mc (kg/h)

hp.c. = entalpía de los productos de combustión en (kJ/kg gases). hp.c. = CPaire . (Tch - Tref)

Tch Debe medirse la temperatura en la base de la chimenea.

Energía perdida: Energía por paredes, purgas, cenizas calientes, combustible no quemado en los humos y otras indeterminadas. Se pueden calcular indirectamente del mismo balance térmico o realizando estimaciones según el tamaño de la caldera (en % PCI).

7.2.-Rendimiento térmico:

El Rendimiento Térmico es el índice del aprovechamiento de la energía en una caldera. Para determinarlo, se establecen dos mecanismos:

a) Medición del Rendimiento Directo

Para determinar el Rendimiento Térmico se requiere medir el consumo de combustible, el vapor generado, la presión, la temperatura del agua a la entrada y la salida y el tipo de combustible.

b) Medición del Rendimiento Indirecto.

Considerando que la ganancia principal proviene del PCI del combustible y las pérdidas de calor (Epc y E pérdidas) se pueden expresar en función de cada kg de combustible mc, se tiene:

donde:

hpc = entalpía de los p.c. (kJ/kg). En rigor se obtiene midiendo la temperatura y la composición de los p.c. y en forma aproximada hpc ~ CPaire . (Tch - Tref)

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qp = pérdidas de calor (diferentes a los p.c.) expresadas en porcentaje del PCI. Depende del tamaño y producción de vapor de la caldera.

El Rendimiento Indirecto se puede calcular sin conocer los flujos másicos de consumo de combustible y de generación de vapor con exactitud, pero se debe realizar un análisis de los productos de combustión (composición y temperatura) y conocer el PCI del combustible que se está quemando. Su principal inconveniente es una menor precisión con respecto al rendimiento directo.

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8.- Chimeneas. El tiro y su cálculo.Función: Proporcionar aire para la combustión y evacuar simultáneamente los humos de la misma.

.- Tiro naturalProducido por la diferencia de temperaturas (pesos) entre los humos calientes y el aire exterior.H: altura de la chimenea (distancia desde la “parrilla y la boca de salida)Tiro: diferencia de pesos de cada columna: (mm.c.a)

h = H(δA-δH)

.- Tiro artificialUtilizar: Inyectores (tiro cinético)Ventiladores (tiro mecánico)Proporcionar un aumento de presión que compense las pérdidas de la instalaciónEmpleado en grandes instalaciones con recuperadores, elevadas cargas de combustible, etc.Inconveniente: Coste inicial + consumo de energía

8.1.- Cálculo teórico de chimeneas.Tiro total de la chimenea (natural y forzado si lo hay -h1-) debe vencer las pérdidas producidas por rozamiento de los humos al atravesar la instalación, economizadores, calentadores, conductos de humos y chimenea, (p) y producir una determinada velocidad de escape de los humos a la atmósfera

Presión dinámica h1= (1/2g)v2δH.

Si se pueden despreciar las pérdidas:

Se puede aplicar un coeficiente de seguridad (pérdidas):

Emplazamiento y altura de las chimeneas. Se busca dispersar los productos de la combustión lo máximo posible. Antes se diseñaba únicamente para proporcionar aire a la caldera y asegurar que los humos no vuelvan a entrar por la chimenea.Ahora: Asegurar que la concentración a nivel del suelo de contaminantes sea inferior a determinados límites: f (Altura, condiciones topográficas y meteorológicas). .8.2.- Altura efectiva de la chimenea.En la concentración de contaminantes a nivel del suelo interviene directamente la “altura efectiva de la chimenea”Es la suma de la altura real mas un valor equivalente a la altura de la columna dehumo. f(velocidad de descarga y densidad del gas): HE = hR+ ∆h siendo:

d; Diámetro en piesvs; Velocidad de salida de los gases (pies /s)v; Velocidad del viento (pies/s)T; Diferencia de temperaturas entre el gas y el ambiente CTo; Temperatura del ambiente C

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