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DISEÑO PROTOTIPO DE CALDERA STIRLINGTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD VERACRUZANAUNIVERSIDAD VERACRUZANAUNIVERSIDAD VERACRUZANAUNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
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TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO INGENIERO MECÁNICO INGENIERO MECÁNICO INGENIERO MECÁNICO
ELECTRICISTAELECTRICISTAELECTRICISTAELECTRICISTA
P R E S E N T A:P R E S E N T A:P R E S E N T A:P R E S E N T A:
JESÚS ARIEL CASTELO FONSECA JESÚS ARIEL CASTELO FONSECA JESÚS ARIEL CASTELO FONSECA JESÚS ARIEL CASTELO FONSECA
ANGEL ADRIAN MATEOS AGUILARANGEL ADRIAN MATEOS AGUILARANGEL ADRIAN MATEOS AGUILARANGEL ADRIAN MATEOS AGUILAR
COATZACOALCOS, VER. FEBRERO 2009.
2
Introducción ................................................................................................. 5,
CAPITULO I Generadores de vapor ............................................................. 7
1.2 Caldera ..................................................................................................... 8
1.2.1Descripción de la caldera .......................................................... 9
1.2.2 Características que definen una caldera ................................. 9
1.3 Partes que conforman una caldera ...................................................... 11
1.3.1 Cámara de agua. ...................................................................... 11
1.3.2 Cámara de vapor. ..................................................................... 13
1.3.3 Hogares .................................................................................... 13
1.3.4 Quemadores ............................................................................. 15
1.3.5 Economizadores ...................................................................... 17
1.3.6 Calentador de aire ................................................................... 18
1.3.7 Alimentadores .......................................................................... 18
1.3.8 Domo ........................................................................................ 18
1.3.9 Recalentador ............................................................................ 19
1.3.10 Material refractario ................................................................ 20
1.4 Zona de Radiación ................................................................................ 21
1.5 Zona de Convección ............................................................................. 22
1.6 Clasificación de caldera ....................................................................... 22
1.6.1 Calderas acuotubulares .......................................................... 22
1.6.2 Calderas pirotubulares ............................................................ 26
1.7 Agua y aire en las calderas .................................................................. 28
1.8 Combustibles para calderas ................................................................ 29
1.8.1 Importancia de la elección de un buen combustible ............ 30
3
1.8.2 Tipos de combustibles para calderas .................................... 31
1.8.3 Tablas de poder calorífico de combustibles ......................... 34
CAPITULO 2 Caldera Stirling ..................................................................... 36
Introducción……………………………………………………………………… 37
2.1 Historia de la economía de la caldera de water-tube de Stirling ....... 40
2.2 Descripción general .............................................................................. 42
2.3 Funcionamiento..................................................................................... 51
2.4 Circulación ............................................................................................. 53
2.5 La caldera Stirling en servicio ............................................................. 55
2.6 Atención y gestión de la caldera Stirling ............................................ 55
Capitulo 3 Funcionamiento, metodología y descripción del prototipo .. 62
3.1 Funcionamiento de la caldera .............................................................. 63
3.1.1 Circuito de agua ....................................................................... 63
3.1.2 Circuito de humos ................................................................... 63
3.2 Metodología................................................................................. 65
3.3 Descripción del prototipo ......................................................... 88
3.3.2 Quemadores ............................................................................. 88
3.3.3 Tubos de descenso ................................................................. 89
3.3.4 Tubos de ascenso ................................................................... 89
3.3.5 Tubos horizontales .................................................................. 89
3.3.6 Domos ...................................................................................... 90
3.3.7 Economizador .......................................................................... 92
3.3.8 Pared de ladrillos refractario .................................................. 92
3.3.9 Mampara ................................................................................... 92
4
3.3.10 Purga ...................................................................................... 93
3.3.11 Sistema de agua de alimentación ........................................ 93
3.3.12 Válvula de alivio ..................................................................... 92
3.3.13 Chimenea................................................................................ 94
Conclusión ................................................................................................... 95
Recomendaciones ...................................................................................... 96
Bibliografía .................................................................................................. 97
Anexos ......................................................................................................... 98
5
Introducción
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que,
aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el
agua para aplicaciones en la industria. Hasta principios del siglo XIX se
usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta
que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para
intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante
mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al
calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.
Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de
funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un
industrial inglés muy conocido.
Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de
agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial,
la cual comenzó en ese siglo y continúa en el nuestro. Máquinas de vapor
alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años
como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a
las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como
consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad de un
mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta
temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para
tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de
pasajeros. Vemos una caldera multi−humotubular con haz de tubos
amovibles, preparada para quemar carbón o lignito.
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El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de
los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a
medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000
libras−pie/minuto o sea 550 libras−pie/seg., valor que denominó HORSE
POWER, potencia de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más
de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París,
resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo
"Caballo Vapor" en homenaje a Watt.
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Capítulo I
Generadores
de vapor
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1.1 Caldera
Las calderas son dispositivos industriales de gran aplicabilidad en la industria
a nivel mundial; su objetivo principal es el de generar calor que pueda luego
ser aprovechado. El calor es transferido en forma de vapor; el cual puede
ser aprovechado para una gran diversidad de usos. El vapor generado se
conduce a travez de tuberías, las cuales deben encontrarse aisladas, hacia
los diferentes puntos del proceso.
La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en
kilogramos de vapor por hora a distintas presiones y temperaturas. La
capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma
del calor total trasmitido por las superficies de caldeo en Kcal por hora.
El comportamiento de un generador de vapor puede expresarse en función
de los kilogramos de vapor producidos, velocidad de combustión, transmisión
de calor en Kcal por metro cuadrado de superficie de caldeo y por hora,
temperatura de los gases de la chimenea, porcentaje de en dichos
gases, combustible sin quemar contenido en las cenizas y escorias,
porcentaje de la potencia nominal de la caldera desarrollado, y rendimiento
global (relación entre el calor transmitido y la energía suministrada en forma
de combustible) .
1.1.1 Descripción de la caldera
La caldera es uno de los componentes más importantes de una instalación
de calefacción.
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El calor se trasmite al fluido interno existente en la caldera, mediante la
combustión de un compuesto sólido (carbón,...), líquido (gasóleo,...) o
gaseoso (propano,...). El fluido normalmente utilizado es el agua.
Existen en la caldera tres zonas de diferente temperatura: la cámara de
combustión, las paredes del circuito de humos y el agua.
El calor se transmite de las tres maneras: radiación, convección y
conducción. La llama emite el calor mediante radiación, sin estar en contacto
con las paredes. La convección se produce al desplazarse los gases de
combustión por todo el circuito de humos. Por conducción se transmite el
calor de las paredes al agua del circuito, que mediante el desplazamiento de
sus moléculas (convección), transmite el calor por todo el sistema.
Las partes principales donde se produce el intercambio de calor son la
cámara de combustión, lugar donde se quema el combustible, y el circuito de
humos, que es el camino que recorren los gases de combustión a través de
la caldera. Éste puede ser más o menos sinuoso debido al diseño de la
caldera. La temperatura de la llama y de los gases de combustión en esta
zona alcanza, dependiendo principalmente de la naturaleza y la relación
combustible-aire, hasta los 1.800ºC y la temperatura de salida de humos
suele oscilar entre 180ºC y 250ºC.
1.1.2 Características que definen una caldera
A la hora de seleccionar una caldera es necesario conocer una serie de
características que la definen y que permiten, o no, su utilización en cada
caso particular. Entre estas características, o parámetros, que definen una
caldera, merecen destacarse los siguientes:
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a) Potencia térmica
Deben diferenciarse dos valores distintos, la potencia térmica nominal que es
la energía máxima aportable en el hogar de la caldera por unidad de tiempo y
la potencia térmica útil, que es la máxima energía que puede absorber el
fluido caloportador en la caldera, por unidad de tiempo.
La diferencia entre la potencia nominal y la útil, representa las pérdidas de la
caldera, en parte por disipación al ambiente que la rodea y en parte a través
de los gases de combustión a la atmósfera. Al cociente entre ambas
potencias se le denomina rendimiento o coeficiente de eficacia, siendo
siempre inferior a la unidad.
b) Superficie de calefacción
Se denomina con este nombre a la superficie de intercambio de calor en
contacto con el fluido caloportador, recibiendo el nombre de superficie de
radiación a la zona en contacto con la llama y superficie de convección a la
que se encuentra en contacto con los gases de la combustión.
c) Presión
La presión a la que está sometida una caldera es un parámetro definitorio de
la misma. Reglamentariamente se distinguen:
Presión de diseño. La utilizada como base de cálculo al establecer la
resistencia de los elementos constituyentes de la caldera.
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Presión de servicio. Presión máxima a la que será sometida una caldera al
ser conectada a la instalación.
Presión de timbre. Presión a la que una vez fabricada, o en revisiones
periódicas, será sometida la caldera para comprobar su estanqueidad.
d) Temperatura
Es otro de los parámetros definitorios de las calderas, pudiendo distinguirse:
Temperatura de diseño. Es la fijada como base para los cálculos
constructivos (la resistencia de los materiales varía con la temperatura)
Temperatura de servicio. Es a la que estará sometida la caldera una vez
conectada a la instalación.
1.2 Partes que conforman una caldera
1.2.1 Cámara de agua.
Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.
El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en
unos 15 cm por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.
Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo
cual forma la cámara de agua.
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Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la
superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y
pequeño volumen de agua.
Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de
construcción antigua.
Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos
de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la
superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.
Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos
tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta
considerablemente la superficie de calefacción.
Como características importantes podemos considerar que las calderas de
gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable
la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy
lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco
vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.
Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie
de calefacción, s{on rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen
rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto
requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del
fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves
minutos.
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1.2.2 Cámara de vapor.
Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe
separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable
sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara,
de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma
de vapor.
1.2.3 Hogares
Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina
el producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se
presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se
adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al
método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una
combustión completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la
ceniza.
Los hogares enfriados por agua se utilizan con la mayor parte de unidades
de calderas, es decir en su gran mayoría, y para todos los tipos de
combustible y métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las
paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos
estructurales y, en consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que
satisfaga los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación.
Las construcciones de tubos enfriados por agua facilitan el logro de grandes
dimensiones del hogar y optimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los
quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes
divisoras, para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de
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combustión. El uso de hogares con enfriamiento por agua reduce las
pérdidas de calor al exterior.
Las superficies absorbentes del calor en el Hogar, lo reciben de los
productos de combustión, en consecuencia, contribuyen directamente a la
generación de vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases
que sales del mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor
se efectúan en forma simultánea. Estos mecanismos incluyen la radiación
entre sólidos que proviene del lecho de combustible o de las partículas de
combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la
transferencia de calor por convección de los gases del hogar y la conducción
de calor a través de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La
eficacia de la absorción de las superficies del hogar es influida por los
depósitos de ceniza o escoria.
15
Fig.1.1 Hogares mecánicos
1.2.4 Quemadores
El propósito principal de un quemador es mezclar y dirigir el flujo de
combustible y aire de tal manera que se asegure el encendido rápido y la
combustión completa. En los quemadores de carbón pulverizado, una parte
del 15 al 25% del aire, llamada aire primario, se mezcla inicialmente con el
combustible para obtener un encendido rápido y actuar como un medio de
16
transporte del combustible. La porción restante o aire secundario se
introduce a través de registros en la caja de viento.
El quemador de tipo circular está diseñado para quemar carbón mineral y
puede equiparse para quemar cualquier combinación de los tres
combustibles principales, si se toman se toman las precauciones adecuadas
para evitar la formación de coque en el elemento carbón, si se esta
quemando combustóleo y carbón mineral.
Este diseño tiene una capacidad hasta de 165 millones de Btu/h para el
carbón, y más elevada para combustóleo o gas.
Fig.1.2 Quemador típico (Shield)
17
1.2.5 Economizadores
Un economizador reduce la temperatura de salida de los humos
precalentando el agua de alimentación de la caldera. Estos empezaron a
usarse mucho antes de que se establecieran científicamente las economías
posibles precalentando el aire. Aunque la mayoría de los economizadores no
calientan el agua de alimentación hasta la vaporización.
Fig.1.3 Economizador de serpentín continúo
Fig.1.4 Esquema y detalle de un economizador de serpentín
18
1.2.6 Calentador de aire
Sirve para reducir la temperatura de salida de los humos trasmitiendo su
calor sensible, que se perdería, al aire que a de alimentar la combustión, que
es obligado a travesar el calentador por medio de un ventilador de tiro
forzado.
1.2.7 Alimentadores
Casi cualquier carbón mineral puede quemarse con éxito en algún tipo de
alimentador; Además, los materiales de desecho y subproductos, como el
coque desmenuzado, los desechos de madera, la corteza, los residuos
agrícolas como el bagazo y los desechos municipales que pueden quemarse
como combustible básico o como auxiliar.
El área requerida para la parrilla, para un tipo y una capacidad dados de un
alimentador, se determina por la rapidez máxima permisible de quemado por
pie cuadrado, establecida por experiencia. El limite practico de salida de
vapor, en calderas con alimentación mecánica del combustible es cerca de
400 000 lb/h.
1.2.8 Domo
El domo es un recipiente de configuración horizontal de mayor o menor
espesor en función del vapor producido. El tamaño del mismo será necesario
para contener los elementos de separación y admitir los posibles cambios de
nivel según la carga.
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La misión del domo es acumular en la parte inferior el agua que es distribuida
a los distintos colectores de la cámara radiante, y a su vez separar en la
parte alta el vapor de las partículas de agua que lleva.
Fig. 1.5 funcionamiento del domo
1.2.9 Recalentador
Es la sección de tubos que aprovecha el calor de los gases de escape para
elevar la temperatura del vapor generado por encima de la de saturación. El
vapor sobrecalentado aumenta el rendimiento del ciclo del vapor. En una
turbina, por cada 40ºC de incremento de temperatura sobre la de saturación,
se obtiene un aumento del 3% sobre el rendimiento. El vapor sobrecalentado
evita condensaciones en las tuberías y a la vez erosiones y desequilibrios en
los equipos.
20
Fig.1.6 Recalentador de serpentín sumergido en el tambor
1.2.10 Material refractario
Son materiales que tienen alta resistencia y estabilidad mecánica e inercia
química a temperaturas altas.
El termino Ladrillo refractario hace referencia a aquellos elementos que
pueden soportar satisfactoriamente el calor sin sufrir deterioros en su forma,
así como resquebrajamientos, es de entenderse, que esta propiedad está
vinculada a las cerámicas aun que las mismas tampoco pueden soportar la
temperatura de manera infinita.
Se clasifican según su composición en 4 grandes grupos; Los ácidos
aquellos que contiene arcilla, sílice y sulfato de aluminio, suelen ser más
baratos que el resto y mientras más sílice son más resistentes al metal. La
segunda clasificación la hace aquellos denominados como Básicos
constituidos por Oxido de Manganeso son más resistentes que los
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anteriores, pero más costosos, tenemos también los neutros que son
elaborados por elementos neutros como la magnesia. Y aquellos
denominados especiales constituidos por carburos y circonio útiles por su
capacidad de lubricación, eventualmente se colocan elementos cerámicos en
todas estas mezclas con el objetivo de mejorar aún más la resistencia
mecánica y térmica del conjunto.
Fig. 1.7 Ladrillo refractario
1.3 Zona de Radiación
Es el lugar de la caldera donde se produce el calor necesario para la
generación de vapor. Esta zona recibe una temperatura aproximada de
1000ºC debido al calor provocado por la llama directa y por los humos de la
combustión. Por el lado tubos pasa agua más vapor con una temperatura de
salida variable, en función del intercambio de calor y de la temperatura de
entrada.
A pesar de que es la zona de mayor temperatura radiante, las paredes de los
tubos están refrigeradas por el paso del agua, por esta razón es muy
importante que el domo siempre tenga nivel, porque esto querrá decir que los
tubos estarán inundados.
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1.4 Zona de Convección
A diferencia de la zona anterior, en ésta los humos de la combustión son los
que calientan los tubos de agua o vapor. En ningún caso es la llama directa,
quién aumenta la temperatura del fluido de proceso. La zona de convección
normalmente está compuesta de varios elementos, como son los down-
comer, los recalentadores y los precalentadores de aire.
1.5 Clasificación de caldera
Las calderas de vapor se clasifican, atendiendo a la posición relativa de los
gases calientes y del agua, en acuotubulares y pirotubulares; por la posición
de los tubos, en verticales, horizontales e inclinados; por la forma de los
tubos, de tubos rectos y de tubo curvados.
1.5.1 Calderas acuotubulares
Son aquellas donde el agua se encuentra en tubos donde se calienta por
transferencia de calor por conducción. La combustión se da en la cámara
destinada a dicha función es atravesada por los tubos de agua, que entonces
se calienta y cambia a estado gaseoso. Se utilizan tubos longitudinales para
aumentar la superficie de calefacción y se colocan de forma inclinada para
que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerza naturalmente la
entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando se
requiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes
potencias fueron muy utilizadas en centrales eléctricas y otras industrias de
principios del siglo XX. El vapor producido es de naturaleza seca, por lo que
también es ideal para los sistemas de transmisión de calor. Se
caracterizaban además por sus dimensiones totales reducidas y por ser
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originalmente construidas para uso con combustibles sólidos, mientras que
son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o
diesel. Son idóneas para todos aquellos procesos industriales en los que se
requieran altas presiones de vapor, grandes producciones de vapor o ambas
condiciones a la vez.
Las calderas acuotubulares pueden clasificarse en tres grupos según la
disposición de los tubos de agua y el tipo de circulación:
- De tubos verticales y circulación natural, con los gases de escape
circulando horizontalmente a través del banco de tubos del generador de
vapor.
- De tubos horizontales y circulación forzada, con los gases de escape
circulando verticalmente a través de los bancos de tubos del generador,
economizador y recalentador.
- De tubos inclinados y circulación natural, con los gases de escape
circulando en sentido vertical ascendente a través del banco de tubos del
generador.
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Fig. 1.8 Caldera acuotubular de 2 pasos de humos y circulación natural
(Shield)
Estas calderas son económicas por la ausencia de las bombas de líquido
pero de baja producción de vapor por la baja velocidad de circulación del
agua. Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se
utilizan bombas de alimentación de agua, pudiendo operarse incluso por
encima del punto crítico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm).
La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas
presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.
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• Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
• Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".
• La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo,
ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
• El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no
excede los 20 minutos.
• Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.
• Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación
automática.
• Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.
• Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-
combustible a presión.
• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por
lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor
aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de
humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes
de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de
vapor hasta en un 20%.
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1.5.2 Calderas pirotubulares
Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión
pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.
Los gases calientes son forzados para que circulen a través de los tres pasos
por el ventilador (1), del quemador de tiro forzado y el aire es controlado por
un control ajustable de mariposa.
La cámara de combustión (hogar) constituye el primer paso y los gases
calientes al salir de este son desviados por una mampara de refractario (2),
para que los gases tomen el segundo paso cediendo más calor al agua, al
mismo tiempo que se va reduciendo el área transversal total de los tubos
para compensar la reducción de volumen que van teniendo los gases a
causa de su enfriamiento al ir cediendo su calor al agua. Luego pasan
libremente al tercer paso, o sea la tercera vez que recorren la longitud total
de la caldera y de que salen por la chimenea (3) a una temperatura de 80ºC
arriba de la temperatura de la del vapor o agua caliente, la cual puede
comprobarse con el termómetro (4).
El concreto de la tapa trasera (5) tiene un gran espesor para que haya menor
pérdida de calor al ambiente. En esta tapa está incorporada una válvula de
alivio (6), de gases que se encargarían de absorber alguna posible
sobrepresión.
La puerta frontal tiene menor refractario (7) porque así lo requiere. Ambas
puertas tienen bisagras para facilitar su mantenimiento.
En esta caldera el quemador está provisto de una bisagra (8) para facilitar la
limpieza de las boquillas.
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Los espejos (9), son las tapas internas en donde van montados, expandidos
y ribeteados los fluxes (10), que son tubos rectos, logrando un sello perfecto
en los espejos.
Esos espejos van perfectamente soldados al envolvente (11), que es el
cuerpo que va a resistir la presión interna de la caldera.
Fig. 1.9 Caldera pirotubular
Fig. 1.10 Circulación de los gases
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Las calderas pirotubulares pueden ser horizontales o verticales. En las
primeras, prácticamente todo el espacio del cilindro de la caldera está
ocupado por tubos, el volumen del vapor se ha reducido al mínimo, usándose
un domo para su recolección.
Todos los tubos se encuentran sumergidos, para evitar así las tensiones que
se originan en los tubos secos La caldera vertical se emplea
fundamentalmente cuando existen problemas de espacio.
Estas calderas son adecuadas en instalaciones con potencias de producción
menores de 1MW, presión de trabajo inferior a unos 20 bar y capacidad de
producción menor de las 20 t/h. Debido al gran volumen de agua que
almacenan, presentan el inconveniente de tener un tiempo largo de puesta
en régimen.
Capacidad de producción de vapor
La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en
kilogramos de vapor por hora a distintas presiones y temperaturas. La
capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma
del calor total trasmitido por las superficies de caldeo en Kcal por hora
1.6 Agua y aire en las calderas
El agua del ciclo de vapor debe cumplir requisitos de limpieza en lo que
respecta a minerales en disolución, que causan depósitos en los tubos, y
sustancias corrosivas (azufre, cloro, hidrógeno libre). Por lo tanto es
necesario minimizar las pérdidas de vapor para reducir el consumo de agua.
Esto es particularmente importante en las calderas de inyección directa
(Benson) y humotubulares, donde el agua evapora dentro o sobre la
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superficie de los tubos. El aire para la combustión se alimenta por medio de
sopladores de gran capacidad. Es común precalentar el aire aprovechando el
calor de los gases de chimenea y/o pasarlos cerca de las paredes inferiores
o el piso de la caldera, antes de llegar a los quemadores.
El aire y el combustible se alimentan al hogar por quemadores, orificios
circulares en el centro de los cuales se inyecta el combustible. El aire ingresa
por el sector anular, que está provisto de persianas ajustables para controlar
el caudal de aire.
1.7 Combustibles para calderas
Las calderas pueden quemar casi cualquier tipo de combustibles sólidos
(carbón, madera, residuos industriales o urbanos), líquido (fuel oil, gas oil,
diesel oil) o gaseoso (gas natural, gas de horno petroquímico, etc.).
El calor puede transmitirse por una te las tres formas siguientes:
Conducción: Se dice se transmite por conducción cuando, como
consecuencia de una diferencia de temperatura, el calor fluye a través de un
sólido desde la zona de temperatura más elevada a la zona de temperatura
más baja.
Convección: Se dice que el calor se transmite por convección cuando ello
se realiza por el movimiento tal como el flujo de un fluido o de un gas. A
veces resulta difícil distinguir entre conducción y convección, ya que con
frecuencia ambos procesos tienen lugar simultáneamente.
30
Radiación: Es la transmisión de calor a través del espacio desde un cuerpo
de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Es consecuencia de la
propagación de ondas de energía de un cuerpo al otro
En una caldera que quema combustible el calor es transmitido por radiación
y convección. Un 50 a 70% de la energía calorífica liberada del combustible
es absorbida en el hogar.
1.7.1 Importancia de la elección de un buen combustible
Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de
kilocalorías / kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos
porcentajes de materias volátiles y de cenizas.
El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos
(puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar
en dos grandes categorías:
Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente,
cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etcétera.
Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán
como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas,
etc.
El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar
una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio
que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar
una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para
que se realice la combustión completa.
31
Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar
el tiempo necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible
arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la
combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar
consiste en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado,
para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos
formados.
1.7.2 Tipos de combustibles para calderas
GLP = Gas Licuado de Petróleo: Es un líquido, que puede cambiar su estado
a vapor (Gas Fluido) Fácilmente.
-No tiene olor ni color.
-Es más pesado que el aire.
-No es tóxico pero en su estado líquido produce quemaduras en la piel
-Se compone de derivados del petróleo y gas natural.
GAS-OIL: Líquido de incoloro a amarillento, de olor característico.
Puede desarrollar electricidad estática por agitación o descarga en
recipientes. Reacciona con oxidantes fuertes, con riesgo de incendio y
explosión. Sus vapores son más densos que el aire, pudiendo inflamarse a
distancia.
LEÑA: la utilización del fuego como medio de calefacción. El control sobre él
dispuso a voluntad, de un medio practico para resguardarse de los crudos
inviernos. Históricamente la leña ha sido el método más tradicional de
calefacción, aunque su utilización a cielo abierto siempre resto eficacia a su
poder calorífico.
32
CARBÓN VEGETAL: De madera o leña un compuesto de oxigeno,
hidrogeno, carbono y ázoe. Sustancias que se transforman en otras a través
de la combustión.
En el carbonífero de los yacimientos de carbón que remontan del período
geológico llamado Carbonífero (de aquí le viene el nombre). Suele pensarse
que en este período, el quinto de la era Primaria, la vegetación debía de ser
particularmente lujuriante.
EL GAS NATURAL
• Es una mezcla gaseosa y combustible que, al igual que el petróleo, es
un combustible fósil y se deriva de la descomposición de material
orgánico depositado a grandes profundidades por muchos millones de
años.
• Está compuesto principalmente por Metano (CH4), pero tiene una
proporción menor de otros elementos, como el Etano (4%), Propano
(1%), Butano (0,4%), Nitrógeno (0,9%) y Dióxido de Carbono (1,7%).
• No es tóxico, pero en altas concentraciones desplaza el oxígeno y
puede producir una asfixia.
GAS DEL PETRÓLEO LICUABLE. Son principalmente el propano (C3H8).
Estos gases naturales a la temperatura normal pueden licuarse a presiones
absolutas por debajo de 14 Kg por cm cuadrado. Son excelentes
combustibles pero por lo regular resultan más caros debido al coste de su
manipulación y almacenamiento a presión.
33
GASES SUBPRODUCTOS. Ciertas operaciones industriales producen gases
aprovechables. El gas de alto horno se recoge después de hacer pasar aire
atreves capaz de coque y mineral de hierro. Después de filtrado se utiliza
mezclado con gases más ricos o bien con motores de gas.
El gas de horno de coque se produce al calentar carbón bituminoso para
obtener coque las materias volátiles del carbón son liberadas por la acción
del calor, y casi la mitad de ellas se emplea en calentar el horno. De esos
gases se extraen valioso productos químicos durante el proceso de filtrado,
azufre, breas y vapores condensables.
PETROLEO. El aceite mineral natural existente a diferentes profundidades,
de muchas localidades de la tierra, se denomina petróleo. El petróleo es una
mezcla de miles de hidrocarburos cada uno de los cuales tiene sus
propiedades químicas y físicas características y su forma molecular.
GASOLINA. Es una mezcla de hidrocarburos líquidos comprendidos entre
límites especificados como consecuencia existen buenas y malas gasolinas.
Si bien su potencia calorífica baria ligeramente, la diferencia de calidades
puede ser a una propiedad determinada.
Características:
Volatilidad. Se refiere al porcentaje volumen de combustible que se
evaporiza a una temperatura dada. Debido a que la gasolina es una mezcla
de hidrocarburos, sus varios componentes hierven a diferentes temperaturas.
Numero índice de octano. Es un índice de la capacidad de una gasolina para
soportar una presión y temperaturas elevadas sin explotar espontáneamente.
34
ACEITES COMBUSTIBLES (FUELS OILS). Esencialmente todos los aceites
combustibles se derivan del petróleo y consisten en residuos destilados y
mezclas.
ALCOHOL. Se utiliza como combustibles en países que carecen de petróleo
pero en cambio disponen de abundantes plantas y materias vegetales de las
cuales se puede obtener alcohol mediante el adecuado tratamiento algunos
ejemplos de ellos son; alcohol etílico ( de grano ) C2H6O; el metílico ( de
madera ) CH4O: el butílico, C4H10O constituyen cuatro tipos de alcohol que
pueden utilizarse como combustible. El alcohol tiene buena propiedades
antidetonantes siendo su número índice de octano aproximadamente 100
1.8.3 Tablas de poder calorífico de combustibles
Tabla 1.1 Poder calorífico del carbón y otros combustibles sólidos
35
Tabla 1.2 Poder calorífico de combustibles líquidos
Tabla 1.3 Poder calorífico de combustibles gaseosos
36
CAPITULO 2
CALDERA STIRLING
37
Introducción
La selección de las calderas de vapor es una cuestión que es digna del
pensamiento y atención más cuidadosa. Mientras que algunos de los
compradores de calderas dan la importancia sujeta a su propia
consideración, hay muchos que aceptan con entera satisfacción esas
calderas con las cuales han tenido experiencia, o hay quienes compraron la
más barata después de poco o nada de investigación. Los compradores de la
última clase consideran a menudo cuidadosamente la economía y la
confiabilidad comparativa de los motores y auxiliares, de modo que en
algunas plantas del vapor encontremos ahorros en la economía y de la
conveniencia en los motores y los auxiliares, mientras que las calderas
pueden ser en eficientes en funcionamiento y deficientes derrochadores en lo
esencial de la simplicidad, de la economía y de la adaptabilidad al servicio
para el cual se utilizan. Mientras que los ahorros en economías del motor
agregan materialmente al primer costo de la planta, la mejor caldera se
puede comprar con frecuencia en un costo comparativamente poco sobre de
el inferior, y efectuará un mayor ahorro para un aumento dado en costo que
podría ser obtenido posiblemente instalando un motor más eficiente.
Los requisitos especiales de cada caso individual deben ser considerados
cuidadosamente antes de determinar el tipo general de las calderas
necesitadas. Después de que se haya decidido sobre el tipo general de
calderas, se deben considerar las características más importantes, que son
la seguridad, eficacia, durabilidad y accesibilidad. Caso de igual importancia
son la experiencia, la habilidad, la responsabilidad financiera y la reputación
de los fabricantes.
38
El método de apoyar la caldera debe prever la extensión libre de las piezas
bajo cambios de la temperatura sin introducir tensiones desiguales. La
circulación debe ser por ejemplo guardar todas las piezas en prácticamente
la misma temperatura. Todas las partes de la caldera deben ser tan
accesibles para la inspección como para evitar la posibilidad de corrosión
oculta.
Los bafles deben ser diseñados de modo que no puedan ser dañados o ser
desplazados fácilmente en servicio o por explosiones del gas, y deben ser
tan accesibles que si se descubre un defecto pueda ser reparado fácilmente
sin quitar los tubos o cualquier parte del ajuste.
El arreglo de tubos debe ser de tal forma que cualquier tubo pueda ser
quitado y ser sustituido sin perturbar ningún otro tubo. El espaciamiento debe
permitir el paso libre de los gases alrededor de cada tubo para evitar la
posibilidad de que los gases sean sofocados o de que los espacios se
bloqueen por los depósitos del hollín. Se debe proporcionar la capacidad
suficiente del vapor y de agua para asegurar el vapor seco bajo condiciones
de carga que varían extensamente.
Las costuras clavadas no se deben colocar en la trayectoria de los gases
más calientes. No debe haber posibilidad de bolsas del vapor o de aire en los
puntos expuestos al calor intenso. Los tubos que pueden recalentarse en
caso del agua baja no se deben utilizar como estancias. Los pernos son
completamente desagradables. El único propósito útil para el que un perno
sirve en una caldera inmóvil es hacer posible el uso de una forma más
barata de construcción. Las válvulas de cheque u otros dispositivos
mecánicos delicados no se deben utilizadas en el interior caldera.
39
Las superficies planas grandes, permanecidas o no, están entre las
características más peligrosas y de otra manera más desagradables de la
construcción de la caldera y no se deben utilizar en ninguna caldera, ahora
que llevaba el campo común de las altas presiones en plantas modernas del
vapor.
Otra objeción a las superficies permanecidas planas está en calderas de
water-tube verticales que las superficies planas están generalmente
localizadas de tal forma que dan lugar conveniente para que se aloje el
polvo del tubo. El polvo del tubo se funde en una masa dura que es difícil de
quitar, y que, a causa de su no-conductividad, destruye la eficacia de esa
porción de la superficie de la calefacción. Además, tal acumulación aumenta
la cantidad de corrosión sin la posibilidad de detección. Las estancias
recogen la escala y el fango y aumentan la dificultad y el costo de la limpieza.
La vida de una buena caldera es variable, dependiendo de la atención que
recibe, solamente una caldera de water-tube moderna, correctamente
diseñada debe ser capaz de estar en funcionamiento en un período largo de
años sin la reducción material en su margen de la seguridad y la economía.
40
2.1 Historia de la economía de la caldera de water-tube de
Stirling
La caldera de Stirling primero fue fabricada comercialmente por los
International Boiler Company, limitada, de Nueva York, en 1889. Las
primeras calderas construidas consistieron en dos tambores superiores y un
tambor más bajo, siendo construido en crudo y dando poco o nada de
atención, en la construcción o la manipulación, a esos detalles de menor
importancia que en el agregado hacen para el éxito de una caldera. Petróleo
bruto aunque era la construcción de estas calderas, demostraron que el
diseño estaba por ejemplo da las grandes posibilidades del desarrollo. Con
este hecho establecido, el Stirling Boiler Company fue formado y compró los
intereses de los International Boiler Company, limitados, en 1890.
Fig. 2.1 Domos de la caldera Stirling
La construcción de la caldera fue elaborada, aunque el principio seguía
siendo igual. Un tercer tambor superior fue agregado, el plan del ajuste
fueron modificados, y tales mejoras llevadas a cabo como resultaría
naturalmente de un esfuerzo sistemático de producir un generador seguro,
durable y económico para las condiciones del vapor que varían y que se
resuelven en práctica.
41
En 1905 el Stirling Boiler Company adquirió otros intereses y se convirtió en
el Stirling Consolidated Boiler Company. En 1907 la instalación fabril y el
negocio del Stirling Consolidated Boiler Company fueron adquiridos por los
Babcock & Wilcox Company.
Fig. 2.2 Elevación seccional, clasifica "A" de caldera Stirling de
42
2.2 Descripción general
La caldera de Stirling se construye en un número de diversos diseños,
conocidos como clases, para resolver condiciones que varían del espacio y
del sitio de la cabeza. Todas las clases están del mismo varían en general
profundizando el diseño, de altura y en el número y la longitud de los tubos.
La caldera consiste en tres tambores transversales del vapor-y-agua, sistema
paralelo, y conectado con el tambor del fango por los tubos del agua,
curvados en cuanto a entre en las hojas del tubo radialmente. El espacio del
vapor del tambor de centro es interconectado a los tambores delanteros y
posteriores por una fila de los tubos que circulan curvados del vapor y al
espacio del agua del tambor delantero por los tubos que circulan agua, el
número de estos últimos tubos dependen de la clase de la caldera. El
enchufe principal del vapor se pone en la tapa del tambor de centro. Dos
válvulas de seguridad independientes también se colocan en la tapa de este
tambor, y con una cabeza del tambor una columna del agua está conectada.
Un tubo de alimentación incorpora la tapa del tambor posterior del vapor-y-
agua en el centro y las descargas en un canal desprendible, por el cual el
agua de alimentación es distribuida sobre una anchura relativamente grande
del tambor.
Una conexión del escape, o las conexiones, dependiendo del tamaño de la
caldera se pone en el fondo del tambor del fango y es extendidas a través de
una manga en la pared posterior o lateral, el exterior justo de el cual la
válvula de escape está situada.
Las piezas de la presión de la caldera son apoyadas en la silla de montar
debajo de cada tambor del vapor-y-agua por una estructura independiente
rectangular de acero rodeada de las secciones enteramente de ladrillo.
43
LA CONSTRUCCIÓN DEL TAMBOR: cada tambor se hace de una sola hoja
del tubo clavada por el regazo correctamente proporcionado o las costuras
longitudinales del extremo y de la correa que cubren al tambor. Las cabezas
del tambor están hechos de acero forjado, una cabeza en cada tambor que
es proporcionado una boca cabida con una placa de acero forjada de la boca
y de protectores.
Fig. 2.3 Cabeza del tambor Fig. 2.4 Interior de la cabeza del tambor
EL TUBO QUE ESPACIA: se deja el espacio suficiente entre los tubos para
permitir un paso libre de los gases. Los tubos deben estar lo suficientemente
espaciados de modo que cualquier tubo puede ser quitado y ser sustituido
sin disturbar ningún otro tubo o el ladrillo.
Después de que se haya quitado un tubo se pasa hacia fuera con una de las
puertas construidas en el ajuste para ese propósito.
44
BAFFLES: el ladrillo del bafle son azulejos llanos del ladrillo de fuego que se
reclinan contra los tubos posteriores de los primeros y segundos bancos,
alcanzando en primer lugar del tambor del fango casi a la tapa del primer
banco, y en el segundo caso del tambor de centro del vapor-y-agua casi al
fondo del segundo banco .
Fig. 2.5 Elevación delantera parcial y elevación seccional a través horno y
tambor delantero del vapor
45
Un estante colocado cerca de la tapa del bafle delantero desvía los gases en
el segundo banco de tubos. Un segundo estante se coloca cerca de la tapa
del banco posterior de tubos y desvía los gases en su paso hacia arriba a
través de este banco posterior en los tubos, así previniendo el puente entre
los tubos y la pared posterior del ajuste de la caldera.
Una cubierta del ladrillo de fuego que se reclina sobre los tubos que circulan
del agua entre los tambores delanteros y medios del vapor-y-agua previene
los gases que pasan sobre estos tubos. Las presas de desvío dirigen los
gases encima del banco delantero de tubos, abajo del banco medio y suben
el banco posterior, trayéndolos en contacto íntimo con todas las superficies
de la calefacción. Las aberturas del bafle entre los bancos diseñados, así
que habrá una distribución apropiada de los productos de la combustión con
una cantidad mínima de acción que sofoca, y se pueden ajustar fácilmente a
las condiciones del combustible del juego.
Caja de un amortiguador: es una caja equipada con un amortiguador de
los movimientos de balanceo o se coloca en la parte superior de la caldera,
en la parte trasera del establecimiento o en la pared trasera. En el primer
caso, se apoya en soportes especiales que vayan en la caldera de marco de
apoyo.
Con este acuerdo, puede ya sea a su vez apoyar una pila de gastos
generales o puede ser conectado a un cañón retroproyector. En el segundo
caso, el marco regulador está integrado en la pared trasera y es adaptable
para cualquier método de conexión trasera del cañón
46
LA EXTENSIÓN El fango del tambor es suspendida de todos los tambores
del vapor-y-agua por los tubos del agua, haciendo pivotar enteramente libre
el ladrillo que fija. La fuga de aire alrededor de los extremos de este tambor
es prevenida por el embalaje suave del asbesto entre ella y el ladrillo. Esta
construcción, junto con la curvatura de los tubos es necesaria para que ella
pueda entrar en las hojas del tubo radialmente, da la disposición amplia y
eficiente para la extensión y la contracción. El diseño asegura la igualación
cuidadosa y la distribución apropiada de todo el incidente de las tensiones al
servicio de la generación del vapor.
El LADRILLO el ajuste de la caldera de Stirling es simple, siendo rectangular
en contorno. No se requiere ningunas formas especiales de los ladrillos que
no se encontrarán en el mercado abierto para el ajuste, y el trabajo se puede
hacer por cualquier ladrillo-masón al corriente del ladrillo del horno y quién
puede leer dibujos. El arreglo de las partes posteriores de la posición oblicua
del arco es de tal naturaleza que un revestimiento de horno completo se
puede instalar que de ninguna manera que disturba el arco de la caldera.
Todas las reparaciones de la albañilería al ladrillo pueden ser hechas sin
disturbar las piezas de la presión de la caldera o de sus conexiones.
47
Fig. 2.6 Elevación seccional, caldera de Stirling de la clase " s " con babcock
y wilcox stoker con recalentador y de la rejilla de la cadena de bayonne
EL HORNO el diseño del horno de Stirling posee muchas ventajas distintivas.
Refiriendo a las ilustraciones será visto que un arco del fire-brick está soltado
sobre las rejillas e inmediatamente delante del primer banco de tubos. El
espacio triangular grande entre el frente de la caldera, los tubos de fuego y el
tambor de ladrillo de la cámara de combustión en los que es posible instalar
una cantidad suficiente de la rejilla para resolver los requisitos de las
calidades más inferiores del combustible.
48
El arco, actúa de una forma similar a la azotea de un horno, calienta
cualquier aire admitido sobre la cama del combustible, y los gases destilados
del combustible son encendidos por el calor irradiado del arco. Asegura una
distribución apropiada de los gases al banco delantero de tubos y previene
refrescarse de la caldera por cualquier salida del aire frío cuando se abren
las puertas del horno Los gases no entran en contacto con las superficies
relativamente frías de los tubos hasta después de que han pasado de los
incendios de ladrillo de la cámara de combustión en los que han tenido un
amplio espacio y tiempo para estar bien quemados. El horno es fácilmente
adaptable a la disposición de combustible, ya sea sólido, líquido o gaseoso.
Fig. 2.7 Parte exterior del horno
49
EL FRENTE. La parte delantera es de diseño ornamental, sustancialmente
de hierro fundido y acero, y se construye en secciones y atornillados juntos.
Las juntas son colocados de tal manera que permita la aplicación de
cualquier fogonero, quemadores de gas o petróleo. Las juntas de expansión
para todos y, por tanto, evitar deformaciones y grietas.
ACCESO Y LIMPIEZA DE PUERTAS: para la limpieza de las superficies de
calefacción y para el acceso al interior del establecimiento son de ladrillo en
el frente, paredes laterales y traseras, en número suficiente para permitir que
todas las partes a serán completamente limpiadas por medio de una lanza de
vapor y para hacer el exterior de la calefacción de superficies de fácil acceso
para la inspección. Todas las puertas de la limpieza asientan firmemente
contra el embalaje del asbesto martillado en un surco frente al marco de
puerta, de este modo previniendo la salida del aire en el ajuste.
Una puerta circular grande en el ajuste da el acceso al extremo de la boca
del tambor del fango. Esta puerta es también asbesto embalado para
prevenir fuga de aire.
Fig. 2.8 Puerta de acceso y limpieza
50
La LIMPIEZA INTERIOR: del interior de la boca de inspección placas cuatro
tambores da fácil acceso al interior de todas las superficies de calefacción
para el examen, la limpieza y reparaciones.
Fig. 2.9 Puerta de acceso del tambor del fango
Cualquier escala que pueden haber formado en el interior las superficies de
los tubos pueden ser removidos por una turbina más limpia de cualquiera de
los muchos diseños en el mercado. La manguera a la que se adjunta el
limpiador se pasa en el tambor, el operador que ejecuta el limpiador a través
de los tubos por medio de la manguera.
Los accesorios de La caldera RACORES consisten en lo siguiente:
Conexiones de agua de alimentación y las válvulas se adjunta a la parte
posterior del tambor de vapor y el agua.
Las conexiones y las válvulas del escape conectaron con el tambor del
fango.
Las válvulas de seguridad en el centro de vapor de agua y el tambor.
51
Una columna de agua conectada al centro del tambor, de vapor de agua y
se coloca en una posición visible desde cualquier punto por delante de la
caldera frente. Una galga del vapor unida al frente de la caldera.
Todos estos accesorios se hicieron sustancialmente de los dibujos y modelos
que por el éxito de su servicio durante muchos años se han convertido en
estándar con la empresa Babcock Wilcox.
2.3 Funcionamiento
El camino de los gases del horno ya se ha indicado. El agua que se alimenta
como se indica en la parte trasera de vapor de agua y el tambor, pasa hacia
abajo a través de la parte trasera del banco de tubos para el tambor de barro,
y desde allí hacia arriba a través del banco frente a la de los tubos de vapor
hacia adelante y tambor de agua.
El vapor formado durante el paso hacia arriba a través de la parte frontal se
convierte en banco de tubos separados de las aguas en la parte delantera y
tambor pasa a través de la fila superior de la cruz o los tubos de vapor en el
centro de circulación de vapor de agua y el tambor, desde el punto que pasa
a través de seco en la tubería de vapor principal.
El agua de los frenos de tambor pasa a través de la parte inferior o tubos de
agua que circulan en el medio de tambor y de allí hacia abajo a través del
centro del banco de tubos para el tambor de barro, del que se redacta de
nuevo el banco de frente a recorrer su curso. El vapor generado en la parte
trasera del banco pasa a través de los tubos de la parte trasera de vapor en
el centro de circulación de vapor de agua y el tambor.
La gran capacidad de almacenamiento de agua de los cuatro tambores y los
tubos, junto con la gran superficie de separación de las tres de vapor de
52
agua y bidones, así como la disposición por la que el mayor espacio de vapor
se encuentra en el vapor de agua y de la que el tambor vapor se toma, se
asegura la producción de vapor seco en diversas cargas y condiciones de
despido irregular.
La MALA ALIMENTACION DEL AGUA: En su paso hacia abajo "a través de
la parte posterior del banco de tubos de alimentación de agua se calienta a
tal punto que gran parte de la escala que forman la materia se precipita y se
reúne en este banco y en el tambor de barro. Aquí está protegido de las altas
temperaturas y se pueden lavar y derrumbados con la frecuencia que exige
el caso. Dado que la circulación es relativamente lento en la parte trasera del
banco de tubos de un gran porcentaje de la materia que tuvo lugar en
suspensión se deposita en el tambor de barro antes de llegar a la parte de la
superficie de calefacción sometido a un intenso calor.
Los MATERIALES Y LA EJECUCIÓN los detalles de la caldera de Stirling se
han desarrollado después de años de la mayoría de la observación
cuidadosa de parte de ingenieros competentes. Los materiales que entran en
su construcción son los mejor obtenibles para el propósito especial para el
cual se utiliza y se sujetan a la inspección y a las pruebas rígidas. Todas las
piezas de la presión tienen un factor de la seguridad de por lo menos 5.
Los MATERIALES Y MANO DE OBRA Los detalles de la caldera de Stirling
se han desarrollado después de años de observación cuidadosa por parte de
ingenieros competentes. Los Materiales que entran en su construcción son
los mejores para obtener los efectos especiales para los que se utilizan y son
objeto de inspección y ensayos rígidos. Todas las partes tienen la presión en
un factor de seguridad de al menos 5.
53
Las calderas son fabricadas por el equipo y las aplicaciones más modernos
de la tienda de las manos de una vieja y bien enseñada organización de
mecánicos expertos bajo supervisión directa de ingenieros experimentados.
2.4 Circulación
AWELL diseñado tubo de agua para la caldera debe poseer un alto grado de
perfección la característica importante de circulación definida y positiva.
El efecto de diferentes grados de expansión en diferentes partes de la
estructura, de manera destructiva para calderas cilíndricas y tubulares, se
elimina correctamente diseñado en un tubo de agua de caldera. La diferencia
en la expansión de las distintas partes de una caldera depende de la
diferencia en la temperatura de las partes,
en consecuencia, mayor es la uniformidad
en la temperatura del agua será menor la
diferencia de expansión entre las distintas
partes de la caldera, como la temperatura
de la presión de las partes (cuando el
material no es demasiado grueso) debe ser
prácticamente la temperatura del agua
contenida.
Circulación rápida: asegura la uniformidad
de la temperatura del agua y la presión de
las partes y, por tanto, impide la desigualdad de expansión y contracción con
la consiguiente destrucción de cepas
En la caldera de Stirling lleva a la rápida circulación de las burbujas de vapor
con la corriente de agua a la superficie de separación de vapor y el espacio,
y por lo tanto previene la formación de bolsas de vapor y la consiguiente
54
sobrecalentamiento y la quema de los tubos en los puntos donde más se
aplica calor.
La teoría de la circulación, según lo descrito por Geo. H. Babcock, presenta
el asunto en una forma clara y más satisfactoria. El debate sobre el tema el
"Vapor" es demasiado conocido para exigir la repetición aquí. La distribución
se ilustra mediante la aplicación de la llama de una lámpara a una pierna de
un tubo en U, suspendido de la parte inferior de un barco lleno de agua, el
calor de la llama de la creación de una práctica uniforme, como se indica en
la ilustración. Sr. Babcock dice: "Este tubo en U es la representación de la
verdadera forma de circulación del agua dentro de un tubo de caldera
construido adecuadamente."
La sección de los puntos de vista Stirling-tubo de la caldera de agua en las
páginas anteriores, se indicará que el diseño es tal que cumplan plenamente
los requisitos uniformes para la circulación como lo demuestra el tubo en U y
de las llamas. La parte frontal banco de tubos, sometido a la más intensa de
calor, representa la pata de la U-tubo a la llama que se aplica. El uniforme de
la circulación hasta la parte delantera del banco de tubos, el agua que circula
a través de tubos para el centro de vapor de agua y el tambor y en el centro
banco de tubos para el tambor de barro, junto con la baja de la circulación a
través de la parte trasera del banco para sustituir a los tubos de agua que se
evapora, garantiza una completa y claramente definida la circulación en toda
la caldera.
2.5 La caldera Stirling en servicio
Las calderas Stirling han estado en operación desde 1890, y su rendimiento
desde que el tiempo ha demostrado claramente su derecho a todas las
reclamaciones de excelencia que se han hecho para ellos.
55
La facilidad con la que la caldera de Stirling se puede limpiar, su eficiencia, y
desconcertante sustancial y su flexibilidad en diversas condiciones de carga,
han ocasionado que sea ampliamente adoptado en las plantas que
representan a prácticamente todas las industrias en todo el mundo. Más de
3000000 caballos de potencia de las calderas Stirling están en uso en la luz
eléctrica y plantas de energía, la calle ferrocarril, centrales eléctricas, plantas
de extracción de carbón, altos hornos, trenes de laminación, fundición y
refino de las plantas, plantas de calefacción e iluminación en las instituciones
educativas, ingenios azucareros, fábricas de cerveza, fábricas de algodón, la
madera, fábricas de hielo, refinerías de petróleo, y sus industrias conexas.
La caldera de Stirling ha sido totalmente exitosa en el uso de carbón
bituminoso y antracita con ambas manos y fogonero de cocción, de lignito de
los diversos campos de lignito, el petróleo combustible, madera y aserradero,
bagazo verde, corteza, alto horno, horno de coque y gas natural, y el calor
residual de los hornos de ladrillos, los hornos de cemento y fundición:
hornos.
2.6 Atención y gestión de la caldera Stirling
Antes de colocar una nueva caldera en servicio de un cuidadoso y
exhaustivo examen debe hacerse de la presión de las partes y la
configuración. Este último debe ser inspeccionado para ver las aberturas que
el deflector y la distancia del arco a los tubos son las solicitadas por el
particular, planos para la instalación en cuestión; que las juntas de los
azulejos deflector están directamente detrás de los tubos, lo que el barro
golpe de tambor y cañería de despegue son libres de ampliar sin interferir en
la paredes, y que todos los ladrillos y el mortero se limpian de la presión y
partes. Tirantes debería crearse cómodo y, a continuación, slacked
56
ligeramente hasta que el ajuste se ha calentado a fondo después del primer
disparo. Internamente la caldera debe ser examinada para asegurar la
ausencia de suciedad, residuos, aceite y herramientas.
Si hay aceite o pintura en la caldera, un montón de ceniza de sosa debe ser
superior en cada tambor, la caldera llena a su nivel normal de agua y se
inició un fuego lento. Después de doce horas, el fuego se debe permitir que
muera, la caldera enfría lentamente y, a continuación, abrir y lavado a fondo.
Esto eliminará todos los aceites y grasas desde el interior de la caldera y
evitar la formación de espuma cuando se coloca en el servicio.
La columna de agua de tuberías deben ser examinados y que se sabe que
son libres y claro, y el nivel de agua según lo indicado por el medidor de
vidrio deben ser controladas por el indicador de apertura gallos.
La caldera de cocción con paredes verde crack invariablemente el
establecimiento de ladrillo a menos que esta se seca adecuadamente. Para
iniciar este proceso de secado, tan pronto como el ladrillo se ha completado
el amortiguador y cenizas hoyo debe ser bloqueado puertas abiertas para
mantener una circulación de aire a través de la configuración. Siempre que
sea posible, esto debe hacerse durante varios días antes de la detonación.
Cuando esté listo para disparar, la madera se debe utilizar una luz de fuego,
gradualmente hasta que las paredes estén bien calientes. Carbón deberían
ser despedidos y la caldera en servicio regular.
Una caldera no debe ser cortada en la línea con otras calderas hasta que la
presión está dentro de unas pocas libras de vapor que, en el principal. La
Válvula de cierre de la caldera debe abrirse muy lentamente hasta que se
abre completamente. Se debe tener cuidado para ver que el arreglo de las
tuberías es tal que no habrá posibilidad de recoger agua en cualquier bolsillo
57
de una caldera y de los principales, a partir de la cual puede ser prorrogado
en la línea de vapor, cuando la caldera está cortado pulg.
En el funcionamiento normal de la válvula de seguridad y el vapor de vía
deben verificarse a diario. La presión de vapor debería elevarse lo suficiente
como para provocar que el golpe de válvulas de seguridad, momento en el
que el vapor de vía debe indicar que la presión de la válvulas de seguridad
son conocidos por ser establecido. Si no es así, es un error y en el indicador
a la vez debe ser comparado con un conocido de la exactitud y la
discrepancia rectificado. La columna de agua debe ser derrumbados a fondo
al menos una vez en cada turno y la altura del agua como lo demuestra el
indicador de cristal de apertura marcada por el indicador gallos a un lado de
la columna. El golpe final válvulas debe mantenerse firme y abierto, al menos
una vez al día a golpe de tambor de todo el lodo de sedimentos que pueden
haber recogido de la concentración de agua de alimentación de la caldera.
El importe de soplado necesario dependerá del carácter del agua de
alimentación utilizada.
En caso de baja de agua, que sea el resultado de negligencia o imprevisto de
las condiciones de funcionamiento, el objeto esencial es que hay que
alcanzar para extinguir el fuego en la forma más rápida posible. Ha sido
práctica común para cubrir los incendios con las cenizas húmedas, la
suciedad o combustible nuevo. Bajo ciertas condiciones es posible apagar el
fuego con una fuerte corriente de agua de una manguera y este método,
cuando sea posible, deben ser seguidas. La caldera debe ser cortada de la
línea y una inspección exhaustiva para determinar los daños, si los hubiere,
que se ha hecho antes de que sea colocado de nuevo en funcionamiento.
La eficiencia y la capacidad de una caldera dependerá en una medida mucho
mayor que normalmente se aprecia el momento de su limpieza interna y
58
externa, y la limpieza sistemática debería incluirse como un elemento
habitual en el funcionamiento de cualquier planta de vapor.
Las superficies exteriores de los tubos deben ser libres de soplado de hollín,
con una lanza de vapor, a intervalos regulares, la frecuencia de limpieza de
dichos períodos, dependiendo de la clase de combustible quemado. Los
tubos internos se mantengan libres de escala y los lodos que se acumulan
debido a la concentración de sólidos presentes en prácticamente cualquier
caldera de agua de alimentación. Esta limpieza puede ser realizada por el
uso de un aire o el agua impulsada por la turbina, el cortador de cabezas que
puede ser cambiado para manejar diferentes espesores de escala.
Fig. 2.11 Turbina y cabezas de corte
59
La figura 2.11 muestra una turbina más limpia, junto con varias cabezas de
corte que se ha encontrado para dar resultados satisfactorios.
Cuando la escala se le ha permitido acumular un espesor excesivo de la
eliminación de la labor es difícil. Cuando la escala es de una formación de
sulfato de su eliminación puede ser más fácil de llenar la caldera con el agua
en el que se ha colocado un cubo de ceniza de sosa para cada tambor, de
iniciar un fuego lento y permitir el agua a hervir durante veinticuatro horas sin
permitir ningún tipo de presión en la caldera.
A continuación se enfría lentamente, se escurre, más limpia y la turbina se
utiliza inmediatamente que la acción del aire tiende a endurecer la escala. Si
bien la utilización de una caldera de agua en los piensos compuestos es
admisible con miras a prevenir la formación de escala, por ejemplo, un
agente no debe ser introducida en la caldera mientras se encuentra en
funcionamiento con el fin de suavizar o aflojar cualquier escala que pueden
ser ya presentes en la caldera.
Aparte de la relación de aspecto de la eficiencia y la capacidad de limpiar el
interior de una caldera de la calefacción asegura la protección de las
superficies de la quema. En ausencia de un golpe-pipe de acción de las
llamas, es imposible grabar una superficie de metal cuando el agua está en
contacto íntimo con la superficie. Cualquier formación de la escala en el
interior de las superficies de una caldera que mantendrá el agua de las
superficies y aumenta su tendencia a quemarse. Escala de las partículas
sueltas que pueden desprenderse de presentar en ciertos puntos en los
tubos y actuar en dichos puntos de la misma manera que una capa continua
de escala, salvo que la tendencia a quemarse es localizada.
Si el aceite se le permite entrar en la caldera con el agua de alimentación, su
acción será la misma que la de mantener la escala en el agua de la de los
60
tubos de metal, de esta manera el aumento de su responsabilidad para
quemar.
Se ha demostrado más allá de toda duda que un gran porcentaje de pérdidas
del tubo se debe a la presencia de escala que, en muchos casos ha sido tan
delgada como para ser considerado de ningún momento, y la importancia de
mantener el interior de la caldera de calefacción en las superficies estado de
limpieza no pueden ser demasiado subrayó.
En caso de picaduras o corrosión se observa, las partes afectadas deben ser
cuidadosamente limpiadas y pintadas con blanco de zinc. La causa de tal
acción se debe determinar de inmediato y las medidas adoptadas para ver
una solución adecuada que se aplica.
Al realizar una inspección interna de la caldera o al limpiar el interior de las
superficies de calefacción, hay que tener mucho cuidado para protegerse
contra la posibilidad de entrar en la caldera de vapor de que se trate de
cualquier otra calderas en la línea-a través de un golpe o por medio de
válvulas descuidado la apertura de la válvula de cierre de la caldera.
Casos de mala escaldado son el resultado de la negligencia de esta
precaución.
Calderas deben tomarse fuera de servicio a intervalos regulares para la
limpieza y reparaciones. Una vez hecho esto, la caldera se dejen enfriar
lentamente y si es posible permitir que doce horas después de los incendios
se han extraído antes de la apertura.
El proceso de enfriamiento no debe ser acelerado por causa de aire frío a
través de la carrera, lo que causa dificultades en el establecimiento de
ladrillo. Mientras que la caldera está apagada para la limpieza, un cuidadoso
examen debería hacerse de su condición, tanto interna como externamente,
61
y todas las fugas de vapor, el agua y el aire a través de la configuración debe
ser detenida con prontitud.
Si es una caldera a permanecer inactivo durante algún tiempo, es susceptible
de deteriorarse mucho más rápidamente que cuando se encuentre en
servicio. Si el período para el que va a ser despedidos no es superior a tres
meses puede ser llenado con el agua, mientras que fuera de servicio. La
caldera debe limpiarse interna y externamente, todas las cenizas y hollín se
eliminan de la configuración y la acumulación a cualquier escala debe
removerse de las superficies interiores. A partir de entonces debe ser llenado
con agua para que unos cuatro cubos de ceniza de sosa, se ha añadido, un
muy ligero incendio comenzó a conducir el aire desde el agua, el fuego
permitió a morir y la caldera de bombeo completo.
Si la caldera se fuera de servicio durante más de tres meses, debe vaciarse,
limpiarse y secarse completamente. Una bandeja de la cal viva debe ser
colocada en cada tambor, la caldera cerrada, cubierto y de las rejas de una
cantidad de cal viva en ellos. Se debe tener especial cuidado para evitar que
el aire, el vapor o las fugas de agua en el ajuste o la presión sobre las partes,
para evitar el peligro de corrosión.
62
Capitulo 3
Funcionamiento,
Metodología y
descripción de la
caldera Stirling
63
3.1 Funcionamiento de la caldera
3.1.1 Circuito de agua
El principio de funcionamiento de una caldera de vapor, tiene como fin
evapora agua y sobre calentar el vapor obtenido, mediante energía liberada
en una reacción de combustión. La caldera de vapor elegida para nuestro
análisis funciona de la siguiente manera:
El agua de alimentación es llevada al interior de la caldera, pasando antes
por el economizador (el cual precalentara el agua antes de llegar al interior
de la caldera), para ser depositada en el domo superior izquierdo y desde
allí, alimentara al domo superior derecho mediante un pequeño desnivel que
habrá entre ellos, posteriormente mediante los tubos de descenso el agua
llegara hasta el domo inferior.
El vapor se genera en los tubos de descenso (ya q estarán expuestos a los
gases producidos en la combustión), el vapor producido se recolecta del
domo inferior y del domo superior derecho y es conducido al domo superior
izquierdo mediante los tubos de ascenso. El vapor generado generado pasa
a continuación por los tubos de descarga del domo superior izquierdo, donde
se distribuye para diferentes usos.
3.1.2 Circuito de humos
El combustible que utiliza la caldera es gas licuado de petróleo (LP), el cual
está constituido por un 66.45 por ciento de propano ( , y 33.55 por
ciento de butano ( ), esta composición del combustible está dada en
forma molar. La temperatura de entrada del combustible es de 30 °c
64
aproximadamente y el flujo de combustible que puede aportar es de 0.35
/s.
Se aporta un 5 % de exceso de aire para la combustión, inyectado mediante
una bomba con una temperatura ambiente de 30°c aproximadamente.
Durante el proceso de combustión de nuestra caldera del 100 % del gas LP
quemado, el 11.0402 %reacciona para formar (Dióxido de carbono),
también obtendremos un 72.2236 % de N (Nitrógeno) siendo este el que se
encontrara en mayor cantidad, otro producto de la combustión será el
(Oxigeno) el cual se encontrara en un 0.9142 % y por ultimo un 15.7519 %
de (Humedad).
Todos estos componentes forman parte de los gases de escape, obteniendo
de esta manera un volumen de gases de escape seco y húmedo, volumen de
aire y humedad las cuales se muestran en la siguiente tabla 3.1 para un
exceso de aire del 2% hasta al 6 % para los volúmenes reales.
Tabla 3.1Porcientos de volumen de aire y gases de combustión
Volúmenes de Aire y Gases de Combustión Real ( α > 1 )
α 1.02 1.04 1.05 1.06
Vh2o real 4.7675 4.7760 4.7802 4.7844
Vgs real 24.6430 25.1691 25.4321 25.6952
Vg real 29.4105 29.9451 30.2123 30.4796
Va_real 26.8316 27.3578 27.6208 27.8839
65
Considerando una combustión ideal si exceso de aire tenemos los siguientes
volúmenes:
Volúmenes de Aire y Gases de Combustión Teóricos ( α = 1 )
Va_teor 26.3055 Nm3 de aire/Nm3 de G.C.
Vn2 teor 20.7814 Nm3 de N2/Nm3 de G.C.
Vco2 teor 3.3355 Nm3 de CO2/Nm3 de G.C.
Vso2 teor 0.0000 Nm3 de SO2/Nm3 de G.C.
Vro2 teor 3.3355 Nm3 de RO2/Nm3 de G.C.
Vh2o teor 4.7590 Nm3 de H2O/Nm3 de G.C.
Vgs teor 24.1169 Nm3 de gases secos/Nm3 de G.C.
Vg teor 28.8759 Nm3 de gases total/Nm3 de G.C.
Todos estos componentes se consideran como gases de escape aunque
unos no intervienen en la combustión como el N (Nitrógeno), o el agua q se
origina ( ), y el exceso de oxigeno q no reacciona con el gas ( ).
Los humos creados en la combustión llevan un calor, los cuales serán los
responsables de los diferentes intercambios de calor que se irán produciendo
en la caldera y ayudaran a producir el vapor necesario según la utilidad que
se tenga.
3.2 Metodología
En este apartado se pretende explicar paso a paso la metodología del diseño
del prototipo. Para la construcción de la caldera muchos datos fueron
supuestos o determinados como las dimensiones de la caldera.
66
Así también partes que conformen a la caldera como el quemador el cual se
utilizaran dos quemadores, también determinamos el tamaño de cada domo
y la cantidad, el tamaño de los tubos, el diámetro del economizador.
El combustible a utilizar será el gas LP, a partir de este dato podremos
concluir cuanta cantidad de flujo pasara por cada orificio en los quemadores
teniendo en cuenta las siguientes características:
Se trata de un quemador con 5 orificios, cada orificio tienen dimensiones
diferentes siendo la parte más ancha el lugar por donde entrara el gas y la
parte más estrecha por donde saldrá el gas como se muestra en la siguiente
figura.
D1 D2
Longitud
Fig. 3.1 para el análisis se considera el orificio como una tobera
Este orificio tiene las siguientes características.
Longitud 3mmD2 2.00 mmD1 0.90 mm
Dimensiones para un orificio
67
Sabemos que en el interior de cada orificio habrá una presión de 11 “C.A
(pulgadas por columna de agua). Estas unidades procedemos a cambiarlas a
Pascales para trabajar de una forma más cómoda.
Para hacer este cambio se procede a convertir las columnas de agua a
milímetros de la siguiente manera:
Como sabemos que una pulgada es igual a 2.54 cm o 25.4 mm por lo tanto
tenemos que 1” C.A será igual 25.4 mm C.A.
Entonces:
25.4 mm C.A* 11= 279.4 mm C.A
Sabiendo que para un milímetro de columna de agua en el interior de una
tubería hay una presión de:
P = h * * g (Ecuación 3.1)
P = (0.001 m)*(1000 )* (9.81 m/ ) = 9.81 Pa
Donde:
P = presión originada en el interior de cada ducto
h = Altura o longitud del ducto (0.001m)
= Densidad del fluido (1000 )
g = gravedad (9.81 m/ )
Entonces:
( - ) = 9.81 Pa*279.4 mm C.A/1000=2740.914
Para 279.4 mm C.A tenemos una presión de 2740.914 pascales esta presión
es la relación en la entrada y salida del orificio ( - ).
68
Como lo que se desea calcular es el caudal de gas que pasara por este
ducto tenemos la siguiente ecuación:
= v*A* (Ecuación 3.2)
Donde:
A = ( )/4 (Ecuación 3.3)
Entonces:
= v* (Ecuación 3.4)
Como no conocemos la velocidad de este fluido aplicamos Bernoully
(Ecuación 3.5)
Donde
* multiplicándola por la gravedad tenemos *
Por lo tanto * donde:
K= constante de perdidas por fricción en el interior de los ductos
K=r (Ecuación 3.5)
Donde r es un valor dado por alfa el cual es el ángulo que se muestra en la
figura 3.2:
69
D2 D1
b= 3 mm
a
a
Fig. 3.2
Donde:
=
Este angulo nos muestra la constante que se debe de utilizar. Así que hay
que calculado.
Como solo conocemos b que es igual a 3 mm a no la conocemos pero
podemos calcularla partiendo de que conocen los diametros.
Entonces :
a = (Ecuación 3.6)
Como y
a = = 0.55 mm
Por lo tanto sera igual a:
tan =
70
Despejando tenemos que:
Despejando :
Con este valor calculado podemos saber cual sera la constante q se utilizara
mediante la tabla q se muestra a continuacion:
El valor calculado para alfa no se muestra en la tabla pero es un valor
intermedio de 20 y 21 entonces interpolamos para hallar este dato.
Interpolando tenemos el siguiente dato:
Como conocemos los diámetros y ya tenemos el valor de r entonces
procedemos a calcular k
71
D2 0.90 mmD1 2.00 mm
Dimensiones para un orificio
K= r
Donde:
= diámetro a la entrada del gas
= diámetro a la salida del gas
K =0.4592 = 1.493827
Con el valor q obtuvimos de k entonces podemos calcular todas las perdidas
q habrá por fricción. (Este cálculo hubiera sido más fácil si la figura hubiera
sido un cilindro ya que en este caso tendríamos dos diámetros iguales por lo
que k seria igual a cero, por lo tanto también tiende a cero.), ahora para
calcular .
Tenemos que:
*
Donde:
= velocidad con la que sale el gas
Ecuación original para encontrar
= *
72
Sustituyendo k tenemos:
= *
Ahora sustituimos estos datos en la siguiente formula
(Ecuación 3.7)
Y nos queda:
*
Debido a que no hay una diferencia de altura entonces y son iguales
a cero por lo que la formula inicial queda:
+ *
Despejando las presiones tenemos:
+ *
Simplificando tenemos:
+ *
Sabemos la densidad del agua es, también conocemos la gravedad y las
presiones como se muestra en la siguiente tabla
P1-P2 2740.914 PascalesDensidad del agua 1000 Kg/m
Gravedad 9.81 m/s2
Sustituyendo estos datos tenemos:
73
+ *
0.2794= + *
Como no conocemos nos guiaremos en la siguiente figura para calcularla.
Fig. 3.3
Entonces suponemos lo siguiente:
(Ecuación 3.8)
Despejando tenemos:
Como conocemos d y D simplificamos esta ecuación:
Entonces nuestra formula quedaría:
Posteriormente sustituimos en la siguiente ecuación para que esta fórmula
quede solo en función de :
74
0.2794 + *
Despejando para simplificar la ecuación tenemos:
0.2794
= =0.2438
Por lo tanto será:
m/s
Ahora para poder calcular el flujo de combustible que saldrá por este orificio
tendremos que calcular la densidad del combustible que para este caso
utilizaremos gas LP, que es una mezcla de gas propano (66.45%) y gas
butano (33.55%).
(Ecuación 3.9)
Donde:
P
T
Este cálculo se hará bajo las condiciones estándar de presión:
Presion 101325 PascalesR 8314 J/Kg-°K
µ 48.697 Kg/Kmol
Temperatura 303.16 °K
Sustituyendo tenemos:
75
(Ecuación 3.10)
Insertando valores tenemos:
Este flujo de combustible solo se calculo para un orificio del quemador pero
cada quemador tiene 5 orificios y como se utilizaran dos quemadores, por lo
tanto tendremos 10 orificios así que hay que multiplicar este resultado por
los diez orificios para obtener el flujo total
Como este flujo lo necesitamos en entonces hay que dividirlo por la
densidad del gas pero en condiciones estándar de presión y temperatura
entonces tenemos que la densidad es:
Con la densidad calculada dividimos el flujo de combustible
76
Para saber cuánto calor libera esta cantidad de flujo cuando se combustiona
para poder encontrar la temperatura de saturación de los gases, la
temperatura adiabática y la temperatura promedio para así determina la
cantidad de ladrillo refractario que utilizaremos así también el espesor de
esta pared, la fórmula para este cálculo es la siguiente:
(Ecuación 3.11)
Donde:
VCI=Poder calorífico inferior
= 100492.7kJ/Nm3
Sustituyendo tenemos:
Ahora suponemos que nuestra caldera tiene una eficiencia del 92% para
poder calcular el calor aprovechado.
(Ecuación 3.12)
Ahora sustituyendo ambos valores tenemos:
1.294854
El calor que no se consumió durante el proceso de combustión se calcula de
la siguiente manera:
77
(Ecuación 3.13)
Con este valor obtenido podemos calcular la temperatura de los gases de salida.
(Ecuación 3.14)
Donde:
( )
)
(°C)
Donde el Cp de los gases de combustión se calculo multiplicando el por
ciento de cada compuesto producido en la combustión por el Cp de cada
compuesto y la suma de todos esto es el Cp de los gases de combustión.
Tabla 3.2 Porcentaje de gases de escape y su calor especifico
Compuesto % Cp
CO2 11.0402 2.4831
SO2 0.0000 0.0000
N2 72.2236 1.4966
O2 0.9142 1.6452
H20 15.7519 2.0115
(Ecuación 3.15)
78
Como no existe ya que el combustible es un gas, por lo tanto no es
necesario agregarlo en la formula.
KJ/Nm3°C
Y el flujo de gases de combustión será igual al volumen de gases producidos
durante la combustión por el flujo de combustible.
(Ecuación 3.16)
Despejando la temperatura de los gases de salida se tiene:
(Ecuación 3.17)
157.7429095 °C
Para poder encontrar el espesor de la pared es necesario encontrar una
temperatura promedio entre la temperatura de los gases de salida y la
Vgases 30.2123
79
temperatura adiabática, pero como en este caso no se conoce la temperatura
adiabática entonces tendremos que hacer el siguiente balance de flujo:
(Ecuación 3.18)
Donde:
(kJ/Nm3
)
(°C)
( )
)
( )
)
Se tiene los siguientes datos:
1.401E-05100492.7
3.644.23E-041.686930
1.3196Temperatura Ambiente
Cp aire
VCIFlujo de combustible
Cp de combustibleFLUJO DE GASES
Cp de gases
El único dato que nos falta para poder calcular la temperatura adiabática es
el flujo de aire, la cual calcularemos de la siguiente manera:
80
Como se conoce el volumen de aire que se produce se puede determinar el
flujo de aire multiplicando el volumen de aire por el flujo de combustible.
Vaire 27.6208 Nm3 de aire/Nm3
(Ecuación 3.19)
27.6208*
0.00038684
Al despejar la temperatura adiabática de la ecuación # queda de la siguiente
manera:
Entonces la temperatura promedio será igual a:
(Ecuación 3.20)
Ahora con la temperatura promedio podemos calcular el espesor de la pared
de ladrillo refractario que se necesitara para que en nuestra caldera solo
haya una transferencia de calor de 40°C.
(Ecuación 3.21)
81
(Ecuación 3.22)
(Ecuación 3.23)
Donde:
Datos:
hi 500 W/m2-°Cho 12 W/m2-°CKw 0.04 W/m-°CT-hot 561.03 °CT-amb 30 °CT-W2 40 °C
De la siguiente formula despejamos y sustituimos valores.
82
560.79 °C
Por último despejamos el espesor de la siguiente ecuación y sustituimos los
valores correspondientes.
Entonces nuestra pared debe de tener un espesor de 17 cm como mínimo
para que la pared externa alcance una temperatura de 40°c.
Ahora para determinar la cantidad de tubos que tendrá cada domo de
nuestra caldera necesitamos hacer un balance de masa y energía.
Partiremos del hecho de que el flujo de vapor generado por la caldera tendrá
una presión de 3 atmosfera (303.98 Kpa), también nuestra purga tendrá esta
misma presión.
Mediante un programa (xsteam) calculamos la entalpia y temperatura para
ambos flujos.
83
Fig. 3.4 Hoja de resultados de entalpia y temperatura del flujo de vapor y purga
84
La siguiente figura 3.5 servirá para hacer el análisis que necesitamos, para
determinar el balance de flujo y energía.
Fig. 3.5
Haciendo el análisis de la caldera tenemos:
(Ecuación 3.23)
(Ecuación 3.24)
(Ecuación 3.25)
85
Sustituyendo los datos se obtiene:
Se tiene un sistema lineal de tres ecuaciones con tres incógnitas y
resolviendo el sistema de ecuaciones se obtiene que:
Con los datos obtenidos se determina la cantidad de tubos que habrá por
cada domo.
Las formulas que utilizaremos son las siguientes:
(Ecuación 3.26)
Donde:
La velocidad de la mezcla tiene un rango de (1-1.2) m/s que para nuestro
caso tomaremos 1 m/s para una mayor facilidad.
86
Donde:
Donde:
Donde será igual a 10 o 12 % de la masa total
Donde:
87
Donde:
En este caso la velocidad del agua tendra una rango de 0.1 hasta 0.5 m/s
Donde:
88
3.3 Descripción del prototipo
En el siguiente apartado se pretende hacer una descripción detallada de
todas las partes del prototipo.
3.3.1 Base de la caldera
Tiene como objeto soportar el peso de la caldera por lo tanto debe ser una
estructura lo suficientemente resistente.
Esta elevara la caldera unos 20 cm con respecto al suelo y tendrá una
dimensión de 80x80 cm.
3.3.2 Quemadores
Como el combustible que utilizara deberá ser gas LP (licuado de petróleo
comercial) utilizaremos dos quemadores de gas los cuales constan de una
boquilla con 5 orificios donde saldrá el flujo de gas.
Fig. 3.6 Quemador
89
3.3.3 Tubos de descenso
Estos tubos conectaran al domo superior izquierdo al domo inferior en el
cual se encuentra el agua que se va a generar el vapor. La transferencia de
calor se dará por radiación ya que se encuentran localizados muy cerca de la
flama. En el interior de ellos habrá únicamente agua.
Utilizaremos tubería de cobre de 0.5 pulgadas de diámetro capaz de soportar
presiones
3.3.4 Tubos de ascenso
Dichos tubos conectaran al domo inferior con el segundo domo superior en el
cual solo se concentrará el vapor producido. En estos tubos la transferencia
de calor se dará por convección ya que estarán más alejados del fuego.
La circulación de vapor se dará por la diferencia de densidad q hay entre
estos. En el interior de estos tubos habrá agua en ebullición por lo tanto
habrá una mezcla agua mas vapor.
3.3.5 Tubos horizontales
Estos tubos conectaran los domos superiores para llevar vapor que se
genere en el domo izquierdo al domo derecho estos en los tubos superiores,
mientras que en los tubos inferiores se encargaran de alimentar de agua al
domo superior derecho, debido a que estos tubos estarán expuestos a los
gases de combustión el agua que contendrán en su interior se calentara
hasta alcanzar el estado de ebullición, estos tubos tendrán una mezcla agua
vapor.
90
3.3.6 Domos
Serán construidos con tubería de hierro de un espesor de… con un diámetro
de 2.5 pulgadas y una longitud de 80cm. Para que pueda soportar la presión
generada por el vapor en los extremos de los domos tienen que tener una
forma cóncava; para darle esta forma se utilizaran de los cilindros de gas…
Estos domos irán montados en la estructura de la caldera debido a que no
pueden ir soldados ya que con el calor los cuerpos se dilatan y pueden
deformar la estructura.
En total se construirán tres domo, dos domos superiores y uno inferior. Los
domos superiores irán colocados a niveles diferentes, debido a este desnivel
ambos domos contendrán agua, A diferencia del domo inferior el cual estará
lleno en su totalidad.
El domo superior izquierdo e inferior estarán conectados por los tubos de
descenso estos tubos contendrán en su interior agua básicamente, mientras
q los tubos de ascenso los cuales conectaran al domo inferior con el domo
superior derecho tendrán en su interior una mezcla agua vapor y por ultimo
tenemos dos tubos que conectan a los dos domos superiores uno inferior el
cual tiene como función alimentar de agua al domo superior derecho, y un
segundo tubo superior el cual se encargara de transportar el vapor generado
en el domo superior izquierdo al domo superior derecho Por lo tanto en el
domo superior derecho es donde se encontrara la mayor cantidad de vapor
ya que recolectara el vapor generado en el domo superior izquierdo y lo
generado en los tubos de ascenso, en este domo también se encontrara una
válvula para extraer el vapor.
91
80 cm
Fig. 3.7 Longitud de los domos
2.5 pulg
Fig. 3.8 Diámetro de los domos
Fig. 3.9 Cilindro que se utilizara para las tapas de los domos
92
3.3.7 Economizador
Se colocara con la función de reducir la cantidad de combustible a utilizar ya
que precalentara por convección el agua de alimentación con el calor
generado por los gases de combustión. Por lo cual lo pondremos en el
interior de la chimenea.
3.3.8 Pared de ladrillos refractario
Las paredes de la caldera incluyendo la chimenea serán de material
refractario, también cubrirán a los domos ya que no deben de estar
expuestos directamente al fuego
Ya que en el interior de la caldera se alcanzaran una temperatura promedio
de 560.79°C, la pared será de un grosor de 17 cm.
Fig. 3.10 Ladrillo refractario
3.3.9 Mampara
Ya que en el interior de la caldera se generaran gases productos de la
combustión es necesario colocar unas paredes de ladrillos refractarios
(mamparas) para crear una trayectoria de circulación de estos gases para
93
que en ese trayecto se aproveche al máximo el calor de dichos gases y darle
un calentamiento más uniforme en el interior de la caldera. También se
colocan mamparas para que la llama no le dé directamente al domo inferior y
para cumplir con el principio de generación de vapor de la caldera Stirling
3.3.10 Purga
Debido a que en el domo inferior se acumularan sedimentos productos del
agua de alimentación y evaporización de la misma, se colocara una tubería
de desfogue cuya función será la de liberar estas impurezas. Por lo cual esta
tubería se pondrá en la parte inferior del domo.
Dicha tubería será de cobre cuyo diámetro es de 0.5 pulgadas.
3.3.11 Sistema de agua de alimentación
Consistirá él una tubería de cobre de 0.5 pulgadas por donde circulara el
agua que llegara al domo superior izquierdo, el flujo de agua será regulado
por un válvula, en este sistema también se encontrara el economizador.
3.3.12 Válvula de alivio
Como puede ocurrir que haya una sobre presión generada por el vapor es
preciso colocar un medio por el cual se pueda liberar dicha presión. Esto
consistirá en colocar una válvula de alivio.
94
Fig. 3.11 Válvula
3.3.13 Chimenea
Será el lugar por donde saldrán los gases producidos por la combustión
calentando en su camino el agua de alimentación ya que aquí se encontrara
localizado el economizador y finalmente estos gases serán liberados a la
atmosfera.
95
Conclusión
1. Con la creación de la caldera Stirling se podrán realizar prácticas de
laboratorio donde los estudiantes podrán evaluar el comportamiento
de una caldera.
96
Recomendaciones
97
Bibliografía
http://www.utbb.edu.mx/gaceta/g3/frame-articulos_6.html
http://www.emc.uji.es/asignatura/obtener.php?letra=3&codigo=59&fichero=10
86018838359
http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF
http://www.articuloz.com/otro-articulos/ladrillos-refractarios-505541.html
http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF
http://books.google.com.mx/books?id=EeplO3UCxvkC&pg=PA211&dq=calde
ras+de+vapor
98
Anexos
99