CALDERA

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

CLASIFICACION DE LOS CALDEROS1. USO

ESTACIONARIAS: instaladas en tierra, industria, plantas termoeléctricas.MOVILES: navíos, locomotoras.CALEFACCION: residenciales o comerciales.

2. POR LA PRESION DEL TRABAJO: SEGÚN LA ASME

a. CALDERAS DE CALEFACCION DE BAJA PRESION: comprende todas las calderas de vapor que no exceden de 1,05 kg/cm2 y todas las calderas de agua caliente que operan a presiones que no exceden de 11,25 kg/cm2 y cuyas temperaturas no sobrepasen los 121ºC.

b. CALDERA DE BAJA Y MEDIA PRESION0 – 200 PSI BAJA PRESION.201 – 500 PSI MEDIA PRESION.

c. CALDERA DE ALTA PRESION Y SUPERCRITICA501 – 2000 PSI ALTA PRESION

(GRANDES INDUSTRIAS)

2001 – 3209 PSI MUY ALTA PRESION (CENTRALES ELECTRICAS)

MAS DE 3219 PSICALDERAS SUPERCRITICAS

3. POR EL MATERIAL DE FABRICACION:a. ACEROS ESPECIALES (CALDERAS PARA GENERACION DE FUERZA)

b. HIERRO COLADO O ACERO AL CARBONO

c. COBRE Y ACERO

4. FORMA DE LOS TUBOS

Caldera de tubos horizontales Calderas de tubos verticales Caldera de tubos rectos Calderas de tubos doblados Calderas de tubos curvos

5. POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE USADO Calderas de carbón, bagazo Calderas de residual Calderas de gas natural

6. POR EL CONTENIDO DE LOS TUBOS Pirotubular. Los gases circulan por los tubos. Acuotubular. El agua circula por los tubos

7. TIPOS DE CALDERA (por el tipo de fluido) CALDERA DE VAPOR: Es toda caldear en la que el medio de transporte es

vapor de agua. CALDERA DE AGUA CALIENTE: Es toda caldera en la que el medio de

transporte es agua a temperatura inferior a 110ºC. CALDERAS DE AGUA SOBRECALENTADA: Es toda caldera en la que el

medio de transporte es el agua a temperatura superior a 110ºC. CALDERAS DE FLUIDO TERMICO: Es toda caldera en la que el medio de

trasporte es un liquido distinto al agua (aceites, metales líquidos [Hg], downtherm).

8. TIPO DE CALDERAS (por la estructura)o Caldera tipo Paquete: Forman una unidad compacta con aparatos

accesorios autocontenidos, son armados totalmente en la fábrica. La unidad esta montada sobre un armazón de acero estructural listo para su instalación.

o Calderas Automáticas: Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal en funcionamiento o sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial de servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calórico.

CALDERAS PIROTUBULARES

Son aquellas en que los gases de combustión circulan en el interior de los tubos, los cuales se instalan normalmente en la parte inferior de un tambor sencillo o de un casco.

En estas calderas se define como paso el recorrido de los gases de combustión a lo largo de la caldera, son de 3 y 4 pasos.

Su aplicación es a bajas presiones y capacidades. Rango de presión hasta 250 PSI Rango de capacidad hasta 27608 lb/h – 35000 Lb/h

11000 BHP – PRODUCE VAPOR SATURADO.

COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR PIROTUBULAR

Hogar, Fogón o Cámara de Combustión: Lugar donde se quema combustible. Cámara de Agua: Puede ser un cilindro, recipiente cilíndrico, conectados a través

de tuberías, los cuales contienen el agua. Conducto de Humo: Permite desalojar gases de combustión de la caldera, puede

ser mediante tiro natural o tiro forzado (ventiladores), incluye tuberías y chimenea. Equipos Accesorios: Conjunto de equipos e instrumentos que completan el

funcionamiento de la caldera, tales como: bomba de alimentación de agua, economizadores, indicadores de nivel, válvulas, control de nivel, control de presión, otros.

VAPOR SATURADO

Se usa para calentar, evaporar, cocinar, desinfectar, secar, mantenimiento y otros procesos y servicios.

Las Propiedades del vapor de agua saturada, se encuentran registradas en tablas de vapor saturado.

CARACTERISTICAS DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES

Bajo costo inicial, gran capacidad de almacenamiento de agua, lo que determina:a. Capacidad para compensar los efectos de grandes y repentinas fluctuaciones

en la demanda de vapor.

b. Un mayor tiempo para alcanzar su presión de trabajo, partiendo de un arranque en frio, con respecto a la caldera acuotubular.

Con el aumento de carga, la temperatura de los gases crece muy rápidamente, disminuyendo el rendimiento.

El diámetro máximo es 2,44 m. se fabrican con planchas de acero al carbono de gran espesor.

Para facilitar el acceso son fines de inspección y limpieza, se emplean diferente medios.

Los cabezales pueden ser basculantes y abrirse por medio de rotulas (articulaciones), pudiéndose utilizar un sistema de garruchas en un diseño, el cabezal posterior del caldero es enfriado por medio de agua y sirve como e economizador.

…CALDERA PIROTUBULAR

o Los diseños mecánicos limitan la capacidad y presión del vapor. Los diámetros grandes requieren placas más gruesas para soportar los esfuerzos a los que son sometidos por la presión y la temperatura.

o Las diferenciales de temperatura ocasionan grandes tensiones de magnitud indeterminables. Estas tensiones, en combinación con los efectos de incrustaciones y otros sedimentos, han dado lugar a muchas explosiones de calderas.

SELECCIÓN DE UNA UNIDAD GENERADORA DE VAPOR

1. DATOS BASICOS: Son factores básicos:o Cantidad requerida de vapor.o Presión, temperatura o clase de vapor que se necesita. Previsión de

necesidades futuras.o Localización y fines de la instalación.o Características de la carga.

2. DATOS ADICIONALES: Son otros factores que ejercen influencia en la selección del equipo:o Clase de equipo que se puede obtener.o Selección de los quemadores.o Selección de equipos auxiliares.o Valor calórico y características del combustible disponible.

o Plazo de entrega de la maquinaria.o Limitaciones y condiciones del espacio para la instalación.o Condiciones existentes para el mantenimiento y operación de la planta.o Equipo ya existente que tenga relación con la nueva instalación.o Consideraciones necesarias sobre el costo de la obra.

TABLAS DE ESPECIFICACIONES

TABLA DE ESPECIFICACIONES

GENERADORES DE VAPOR Y CALDERAS

NORMAS TECNICAS

INDECOPI 350.016 350.017

POTENCIA DE CALDERA (BHP)

La capacidad de evaporación de una caldera, para evaporar por completo en una hora 15,69 kg. De agua que se encuentra a 100ºC y presión de una atmosfera estándar.

539,05 x 15,7 = 8500 Kcal./h = 33475 BTU H

Por lo tanto, se ha ideado una cantidad que convencionalmente se llama caballo de caldera que puede definirse:

BHP La capacidad de una caldera para transmitir 8500 Kcal. en una hora.

15,69 kg/h x 2,2 Lb/kg = 34,5 Lb/h

1 BHP = 34,5 Lb/h

Ejemplo:¿Cual es la capacidad nominal de un caldero que tiene una potencia de 500 BHP?

Capacidad Nominal = 500 BHP x 34,5 Lb/ BHP.H = 17250 Lb/h

CAPACIDAD DE UNA CALDERA

Una caldera o generador de vapor es un transmisor de calor, por lo tanto su capacidad esta definida por la cantidad de calor transmitido y aprovechable por el agua y el vapor.

Es la evaporación de 15,65 kg/h (34,5 Lb/h) Partiendo de agua Liquida a 100º C (212º F) hasta vapor de 100ºC (212ºF).

1 BHP es la capacidad de evaporación de una caldera para evaporar por completo en una hora 15,65 kg de agua que se encuentra a 100ºC y una P = 1 atm.

Por lo tanto la capacidad de una caldera se puede expresar en los siguientes términos:

; ; ; ; c.c ; (BHP).

1 BHP es la capacidad de una caldera para transmitir 8450 kcal/h

CAPACIDAD NOMINAL

Es la capacidad relacionada a un nivel de referencia (100ºC). Se indica en las tablas de especificaciones de los calderos en función de la potencia.

CAPACIDAD REAL DE UNA CALDERA

Es la cantidad de vapor producido por la caldera en las condiciones de operación:

Presión. Temperatura del vapor. Temperatura de alimentación del agua.

Comercialmente se acostumbra a expresar la capacidad, según el tamaño relativo de las calderas.

Calderas pequeñas : Kcal/h , BTU/h

Calderas en la pequeña : BHP (cc)y mediana industria

Calderas grandes : kg/h, ton/h, Lb/h (vapor producido)

Calderas muy grandes (Plantas de generación) : capacidad de generación de energía de energía eléctrica eléctrica.

TERMINOS EN CALDERAS

SUPERFICIE DE CALEFACCION

Es toda superficie de una caldera que esta en contacto por un lado con el agua y por el otro esta expuesta al fuego o a la corriente de los gases de combustión. Se mide en el lado de los gases en M2 ó FT2 en las calderas pirotubulares y por el lado del agua en las calderas acuotubulares.

Se usan para definir la capacidad de una caldera.

Es el área expresada en m2 o pies2, que esta expuesta a los productos de la combustión

Las partes a considerar son: Tubos Hogar – Flue Economizadores Precalentadores Sobrecalentadores Colectores

RELACION ENTRE LA SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y EL BHP

1 BHP = 5 pies cuadrados de superficie1 BHP = 5 ft2

Ejemplo:La placa de una caldera indica una superficie total de calefacción de 1750 ft2.Calcular su potencia nominal de producción de vapor.

Potencia = 1750 ft2 x 1 BHP / 5 ft2 = 350 BHP

Capacidad nominal = 250 BHP x 34,5 Lb/ BHP.H = 12075 Lb/h

PRESION DE TRABAJO

Es la presión pre establecida por el usuario, en la cual trabaja la caldera en condiciones normales de régimen.

Se expresa en kg/cm2 o PSI

PRESION MAXIMA DE TRABAJO

Es el valor máximo que puede alcanzar la presión dentro de la caldera en condiciones admisibles de seguridad (kg/cm2).

PRESION DE DISEÑOEs la presión que se toma para los cálculos de resistencia de la caldera (kg/cm2)

PRESION DE SELLADOEs la presión con la que se regulan y sellan todas las válvulas de seguridad instaladas

TEMPERATURA MAXIMA DE TRABAJOEs la máxima temperatura que puede alcanzar el vapor sobrecalentado, o el agua dentro de las calderas de agua caliente en condiciones admisibles de seguridad (ºC).

TEMPERATURA DE TRABAJOEs la temperatura pre establecida por el usuario con la cual trabaja la caldera en condiciones normales de régimen (ºC).

EFICIENCIA

1. EFICIENCIA TERMICA:

ηT =

2. EFICIENCIA DE COMBUSTION

Referido a la capacidad del quemador de efectuar la combustión. Las eficiencias térmicas permiten cuantificar en forma directa la energía

aprovechable que se convierte en energía de vapor.

La eficiencia de combustión permite calcular la eficiencia térmica, por un método denominado: método indirecto.

TUBOS DE CALDEROS.

CONSUMO DE COMBUSTIBLE (G)

Es la cantidad de combustible de las características consideradas, expresadas en peso o en volumen que se puede quemar en la caldera en una hora.

CARGA DE LA PARRILA

Es la relación entre la cantidad de combustible solido consumido por hora y la superficie de la parrilla.

Wp =

CALDERAS ACUOTUBULARES:Componentes:

Domos o tambor de vapor y tambor de lodos. Cámara de combustión u horno, chimenea. Precalentadores de aire y economizadores. Sobrecalentador del vapor. Sistema de purgas de fondo. Instrumento de control y seguridad.

CLASIFICACIONA. Calderas horizontales de tubos rectos.

De cabezal de caja Domo longitudinal o transversal Portátil con hogar de caja

B. Calderos de tubos curvados De 4 domos tipo M De 3 domos tipo A De 2 domos tipo D De 2 domos tipo O

El más versátil es el de tipo D

SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO DEL SOBRECALENTADOR

Es el área de todos los elementos del sobrecalentador en contacto, de un lado con los gases calientes y del otro con el vapor. Se mide del lado en contacto con los gases (m2) (ft2).

SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO DEL ECONOMIZADOR

Es el área de todos los elementos del economizador en contacto, de un lado con los gases y del otro con el agua o el vapor húmedo. Se mide del lado en contacto con los gases y se expresa en (m2) (ft2).

SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO DEL RECALENTADOR

Es el área de todos los elementos del recalentador que están en contacto, de un lado con los gases calientes y del otro con el vapor. Se mide del lado en contacto con los gases y se expresa en (m2) (ft2).

SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO DEL PRECALENTADOR DE AIRE

Es el área de todos los elementos del calentador en contacto, de un lado con los gases calientes y del otro con los gases de combustión. Se mide de lado en contacto con los gases y se expresa en (m2) (ft2).

CAPACIDAD DE PRODUCCION DE VAPOR

La capacidad de producción de vapor se expresa en: kg de vapor / hora; Lb/hora.

CAPACIDAD REAL.

CR =

Q = calor que se transmite al fluido en Kcal/h ó BTU/hQ = W (hg – hw)W = cantidad de vapor producido por unidad de pesoHg = entalpia del vaporHw = entalpia del agua de alimentación.

PORCENTAJE DE CARGA R

R = X 100

R = X 100

FACTOR DE CAPACIDAD

F =

F = f (Tw, Pv)

COMPONENTES DE UNA CALDERATambor de vapor o Domo principal (steam drum)

Puede medir 60’’ de Ø y entre 4 a 5 m de longitud. Recibe agua que pasa por el economizador La capacidad de producción de vapor es función del volumen del tambor y del

sistema de combustión.

FUNCIONES DEL STEAM DRUM

Propiciar el espacio suficiente para facilitar la separación agua – vapor en el proceso de evaporación, que permita una producción de vapor estable.

Proporcionar un espacio para colectar el volumen de vapor para el proceso requerido.

Mantener un volumen requerido de agua de alimentación a los tubos bajantes de la caldera y garantizarle un flujo continuo a los tubos generadores de vapor.

Disponer el área suficiente para acomodar la llegada de los tubos evaporadores, la salida de los tubos descendentes y la salida de los tubos de vapor hacia el sobrecalentador.

Facilitar un espacio para instalar accesorios que mejoren la pureza del vapor, bafles, platos perforados, rejillas, ciclones.

Disponer un espacio para el proceso de reacción de los químicos con los elementos indeseables dentro de la caldera.