Induccion A Las Calderas.pdf

TEMA CALDERAS • Lección 1: INTRODUCCIÓN CALDERAS • Lección 2: CALDERAS A.C., A.S.C. Y F.T. • Lección 3: CALDERAS DE VAPOR • Lección 4: CONTROLES Y PRUEBAS DE CALDERAS

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INTRODUCCIÓN • DEFINICIÓN • CAMPO DE APLICACIÓN • CALCULO DE CALDERAS • CARACTERÍSTICAS Y DATOS FUNDAMENTALES PARA DEFINIR UNA CALDERA • PARTES DE UNA CALDERA • CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS • BIBLIOGRAFÍA

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DEFINICIÓN “ 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” (UNE 9-001-87) En este tema solamente estudiaremos los siguientes tipos de calderas: - La fuente de energía procedente de un combustible que sufre una combustión. - Los medios de transporte serán:

* Agua caliente. * Agua sobrecalentada. * Aceite térmico. * Vapor de agua.

En este tipo de calderas tienen lugar dos operaciones importantes: - La liberación del calor del combustible (combustión) - La captación de este calor liberado por el fluido que circula por ella y en el que a veces, se produce un cambio de estado físico (Caldera de vapor). Dpto. INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

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Caldera de agua caliente: toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110ºC. • Estándar • Baja temperatura 60 ºC • Condensación (Temperatura de humos inferior a 60ºC) Caldera de agua sobrecalentada: toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110ºC Caldera de fluido térmico: toda caldera en la que el medio de transporte de calor es un líquido distinto del agua. Caldera de vapor: la que utiliza como fluido caloportante o medio de transporte el vapor de agua.

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Capacidad calorífica o calor específico

Sustancia

Calor específico

Capacidad calorífica

kJ/kgºC

kcal/kgºC

kJ/m3ºC

kcal/m3ºC

Agua

4,18

1

4.180

1.000

Alcohol

2,64

0,63

2.077

497

Aceite

1,96

0,47

1.797

430

1

0,24

1,26

0,30

Aire

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CAMPO DE APLICACIÓN

Baja P

Media P

Baja P

Media P

Alta P

Baja T

Media T

Alta T

Alta T

Alta T

Caldera de vapor

X

X

X

X

Caldera de A.C.

X

Caldera de A.S.C.

X

Caldera de F.T.

X

X

X

Presión (kg/cm2)

Temperatura (ºC)

Baja

1 ≤ p < 10

T < 140

Media

10 ≤ p < 25

140 ≤ T < 200

Alta

25 ≤ p

200 ≤ T

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CALCULO DE CALDERAS Cálculos Mecánicos: • Presión máxima. • Dilatación térmica. • Peso del conjunto.

Cálculos térmicos: • Radiación en medios absorbentes. • Convección superficies o tubos • Gases/superficie. • Superficie/líquido: • Sin cambio de fase. • Con cambio de fase. • Conducción.

CO2 y H2O

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RADIACIÓN EN MEDIOS ABSORBENTES El dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el vapor de agua, los hidrocarburos , son gases que absorben y emiten radiación apreciable a determinadas longitud de onda. Esto hace que la Potencia emisiva al atravesar el medio sufra una variación.

E0

α

dE λ ( x) + α λ E λ ( x) = 0 dx E λ (0) = E λ 0 en L = 0

EL

E λ ( x ) = E λ ( 0) e

-α λ x

Resultando la diferencia entre la potencia emisiva. L

E λ (0) - E λ ( L) = E λ (0)(1 - e

-α λ x

)

Absortividad espectral de la capa de gas, aplicando la ley de Kirchhoff resulta igual a la emisividad espectral. -α λ x λ El intercambio de calor radiante entre una masa gaseosa y la superficie del recinto

k = (1 - e

)

Q=σ * (ε g Tg4 α g TW4 ) Dpto. INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

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Coeficiente medio ponderado de transmisión de calor en calderas pirotubulares:

C*A a * ( h + 0 , 5 * h ) + 2 2 ( hCO + hR ) CE R d d ht = A a + • El Factor (C) toma los siguientes valores: d2 d2

C = 0,90 para tubos exclusivamente expansionados. C = 0,95 para tubos expansionados y soldados. C = 1,0 para tubos soldados con plena penetración. • El área (A) de aportación calorífica desde la superficie interior de los tubos en mm2. • Diámetro (d) interior de los tubos de convección en mm. • El coeficiente (hR) de radiación para la cara en contacto con los gases de la combustión hR = F1 . h´R h´R se obtiene mediante gráfico con los valores tG y tC. F1 se obtiene mediante gráfico con los valores de tG,LB y AR/AC. Cámara de hogar cilíndrica: LB =

0,83 * L L + 0,5 D

Cámara de hogar no cilíndrica: LB = 3,3 *

VC ACS

La relación AR/AC para cámaras de hogar cilíndricas, mediante gráfico. Dpto. INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

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F1

hR

AR/AC

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• El coeficiente (hCE) es el coeficiente de convección en los tubos se calcula mediante. hCE = F3 * hCO • El coeficiente hCO se determina mediante la expresión hCO = F2 * h´CO • El coeficiente (h´CO ) de convección de los humos en los tubos y se determina en función de la velocidad másica de los gases de combustión G en gráficas • Los factores F2 y F3 se calculan en gráficos utilizando como entradas respectivamente tG y e/d, donde (e) es espesor de la placa de tubos y (d) el diámetro interior de los tubos. • El área de paso de la aportación calórica desde la placa tubular. (a).

F3

F2

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CARACTERÍSTICAS Y DATOS FUNDAMENTALES PARA DEFINIR UNA CALDERA ¾Tipo de caldera:

Caldera de agua caliente. Caldera de agua sobrecalentada. Caldera de fluido térmico. Caldera de vapor.

¾Tipo de combustible utilizado ¾Potencia nominal: Máxima energía térmica por unidad de tiempo, aportada por el combustible, una vez la caldera está a régimen. Es igual a la potencia útil de la caldera, dividida por el rendimiento global, en las condiciones establecidas por las normas, o en su defecto, por el fabricante en su catálogo. ¾Potencia útil instantánea o producción de calor máximo contínua: Energía térmica neta, por unidad de tiempo, entregada por la caldera al fluido portador en las condiciones de funcionamiento que se establezcan. ¾Producción de calor: Máxima contínua. Mínima (producción mínima a la que se obtiene una combustión estable). Punta y su duración. Variación en la demanda de calor, frecuencia y gradiente de la misma Dpto. INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

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¾Presión de timbre: La máxima presión de servicio que puede alcanzar la caldera a la temperatura de servicio. ¾Presión máxima de servicio: Presión límite a la que quedará sometida la caldera una vez conectada a la instalación receptora. ¾Temperatura de servicio: Es la temperatura alcanzada en los fluidos utilizados en los aparatos, en condiciones normales de funcionamiento.(Temperatura de vapor) ¾Temperatura mínima de retorno: Temperatura de alimentación de la caldera. ¾Superficie de calefacción: el área de intercambio de calor que está en contacto con el fluido caloriportante. ¾Superficie de convección: La superficie de calefacción no expuesta a la acción de la llama; se mide por la superficie real bañada por el fluido caloriportante. ¾ Superficie de radiación: La parte de la superficie de calefacción expuesta a la acción de la llama. ¾ Carga térmica: Se obtendrán, en cada caso dividiendo el calor total aportado al hogar en la unidad de tiempo, incluido el aire (kW) por la superficie de hogar proyectada que ve llama (m2) o por el volumen del hogar (m3). {El cliente puede dar indicaciones o imponer límites sobre estas magnitudes}

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PARTES DE UNA CALDERA

Cuerpo de intrecambio

Envolvente

Hogar

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CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS La normas UNE clasifica las calderas de vapor y calderas de agua sobrecalentada atendiendo a la disposición de los fluidos en: ¾ Calderas de tubos de humos (pirotubulares) “La que dispone de unos tubos, sumergidos en el fluido caloportante, por el interior de los cuales circulan los gases calefactores. ¾ Calderas de tubos de agua (acuotubulares) “Caldera en la que el fluido portador de calor circula por el interior de los tubos” ¾Esta división, sobre todo en las calderas acuotubulares debe ser ampliada, por lo que a continuación se resumen diferentes formas de clasificar las calderas. SEGÚN LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS ¾ Calderas de circulación natural “El movimiento del fluido caloportador se obtiene por convección natural” ¾ Calderas de circulación forzada “El movimiento del fluido portador térmico se obtiene mediante una bomba que impulsa la totalidad del fluido a través de la caldera” ¾ Calderas de circulación controlada o asistida “Caldera que presenta ciertas partes en las que el movimiento del fluido caloportante se obtienen por medio de una bomba”

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SEGÚN LA TRANSMISIÓN DE CALOR ¾ Calderas de convección “La transmisión de calor se realiza solamente mediante superficies de calefacción por convección” ¾ Calderas de radiación “La transmisión de calor se realiza exclusivamente por medio de superficies de calefacción por radiación” ¾ Calderas de radiación y convección “La transmisión de calor se realiza por medio de una combinación de superficies de calefacción por radiación y por convección” SEGÚN EL COMBUSTIBLE UTILIZADO ¾ Calderas de carbón “Caldera diseñada y fabricada para utilizar como aporte calorífico el calor que se desprende en la combustión de un carbón. Las calderas de carbón pueden ser: de parrilla fija, de parrilla móvil y de carbón pulverizado” ¾ Calderas de combustibles líquidos “La diseñada para utilizar como aporte calorífico el calor desprendido en la combustión de un combustible líquido” ¾ Calderas de combustibles gaseosos. “La diseñada para utilizar como aporte calorífico el calor desprendido en la combustión de un combustible gaseoso” ¾ Calderas para combustibles especiales. ¾ Calderas de recuperación de calor de gases “La que utiliza, como fuente de aportación calorífica, el calor residual de gases o de líquidos calientes que proceden de un proceso industrial” Dpto. INGENIERÍA ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA

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SEGÚN EL TIRO ¾ Calderas de hogar presurizado “La que estando en servicio mantiene en el hogar una presión superior a la atmosférica” ¾ Calderas de hogar equilibrado “La que estando en servicio presenta en su hogar una presión inferior a la atmosférica” SEGÚN EL SISTEMA DE SOPORTE ¾ Calderas apoyadas “Caldera que descansa sobre el suelo de la sala de calderas por medio de una base estructural” ¾ Calderas suspendidas “La soportada por su parte superior mediante la estructura (elevada) correspondiente” SEGÚN EL LUGAR DE MONTAJE ¾ Calderas montadas en taller “La construida y ensamblada totalmente en los talleres del fabricante y que se expide formando una unidad lista para entrar en servicio, previa conexión a las redes de agua, de vapor, de combustible y de electricidad” ¾ Calderas montadas in situ “La que se construye por secciones, en el taller del fabricante, para ser ensamblada, hasta formar una unidad, en el lugar de su emplazamiento final”

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SEGÚN SU IMPLANTACIÓN ¾ Calderas terrestres “La destinada a ser instalada en tierra firme, en contraposición de las calderas marinas”. ¾ Calderas marinas “La diseñada para ser instalada en un buque” SEGÚN SU UBICACIÓN ¾ Calderas intemperie (outdoor) “En su diseño y construcción se ha previsto que su instalación permita no disponer de sala de calderas, y que va a estar sometida a las condiciones climatológicas del lugar de emplazamiento” ¾ Calderas protegidas contra intemperie (indoor) “La que se diseña para ser instalada dentro de una sala de calderas y estar protegida frente a las condiciones climatológicas del exterior” SEGÚN EL MEDIO DE TRANSPORTE DEL CALOR ¾ Calderas de vapor. ¾ Calderas de agua caliente. ¾ Calderas de agua sobrecalentada. ¾ Caldera de fluido térmico.

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SEGÚN LA PRESIÓN DE TRABAJO ¾Calderas de baja presión “ Caldera cuya presión de servicio está limitada a 0,98 bar (1 kg/cm2). ¾ Calderas de media presión “su presión de consumo está limita entre 0,98 bar (1 kg/cm2) como mínimo , y 12,75 bar (13 kg/cm2), como máximo. ¾ Calderas de alta presión “calderas cuya presión de servicio es igual o superior a 12,75 bar (13 kg/cm2) CALDERAS DE VAPOR ¾ Calderas subcríticas ¾ De baja presión: p ≤ 20 kg/cm2. ¾ De media presión: 20 ≤ p ≤ 64 kg/cm2. ¾ De alta presión: p ≥ 64 kg/cm2. ¾ Calderas supercríticas:

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SEGÚN SU OPERACIÓN É Calderas automáticas “Calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo para su puesta inicial en servicio o en el caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica. También se consideran automáticas las calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin requerir una acción manual, salvo para cada puesta en marcha de un 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” É Calderas semiautomáticas (automáticas de encendido manual) “Caldera de funcionamiento automático salvo el encendido del equipo de combustión que, cada vez que se apaga, debe volver a ponerse en servicio manualmente” É Calderas de operación manual “la que precisa de una acción manual para realizar alguna de sus funciones de su ciclo normal de funcionamiento”

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BIBLIOGRAFÍA • AENOR “Diseño y construcción de calderas”, tomo 4- Ingeniería Mecánica, Recopilación de normas UNE, Madrid 1991. • Carl D. Shield, “Calderas tipos, características y sus funciones”, Compañía Editorial continental, S.A., Mexico 1980. •Molina Igartua, L.A. y J.M. Alonso Girón, “Calderas de vapor en la industria” CADEM, Bilbao 1996. • Anthony L. Kohan, “Manual de calderas, principios operativos de mantenimiento, construcción, reparación, seguridad, requerimientos y normativas” Mc Graw Hill, Madrid 2000. • Vergara Moro, V. Y J.M. Alonso Girón, “Manual de operadores industriales de calderas”, CADEM, Bilbao 1999. • IDEA, “Uso eficiente de energía en calderas y redes de fluidos”, IDEA, Madrid 1996. • Ministerio de Industria y Energía, “Técnicas de conservación Energética en la industria, 1. Fundamentos y ahorro en operaciones”, Comisaria de la energía y recursos minerales Centro de Estudios de la Energía, Madrid 1982.

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