ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL EJERCITO SEDE LATACUNGA FACULTAD DE INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTROMECANICA TESIS PREVIA DE LÑA OBSERVACION DEL TITULO DE INGENIERO DE EJHECUCION EN ELECTROMECANICA TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA CALDERA PIROTUBULAR HORIZONTAL DE TRES PASOS 50 BHP POR: FRANCISCO XAVIER CAJAMARCA CORRAL LATACUNGA – ECUADOR DICIEMBRE 2001
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL EJERCITO SEDE
LATACUNGA
FACULTAD DE INGENIERIA DE EJECUCION EN
ELECTROMECANICA
TESIS PREVIA DE LÑA OBSERVACION DEL TITULO DE
INGENIERO DE EJHECUCION EN ELECTROMECANICA
TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA CALDERA
PIROTUBULAR HORIZONTAL DE TRES PASOS 50 BHP
POR: FRANCISCO XAVIER CAJAMARCA CORRAL
LATACUNGA – ECUADOR
DICIEMBRE 2001
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado al esfuerzo de mis padres
CERTIFICACION
Certificamos que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por el Sr.
Francisco Xavier Corral, bajo nuestra dirección.
………………………………. ……………………………….
ING. William Ramirez Ing. Juan Castro.
DIRECTOR CODIRECTOR
PREFACIO
El presente proyecto pretende ofrecer una alternativa mas económica a las
industrias que utilizan el vapor dentro de sus procesos de producción ,mediante la
fabricación local de una caldera.
Por tratarse de una máquina sometida a grandes presiones y a severas
condiciones de trabajo, deberá ser construida bajo estrictas normas de seguridad y
deberá estar equipada con elementos que garanticen un buen funcionamiento ,además
del bienestar del personal que trabaja alrededor de la misma.
Este proyecto comprende diseño y construcción de una caldera. Para el diseño
se tomará en cuenta las recomendaciones más importantes de los fabricantes
internacionales de calderas.
Las ventajas que nos ofrece este proyecto son las siguientes: menor tiempo en la
entrega de la máquina , un precio mas económico, fácil mantenimiento y la mas
importante que puede ser fabricada localmente.
I.- INTRODUCCION
1.1.- ANTECEDENTES
Al considerarse al vapor como la principal fuente de energía térmica y las mas
económica en la mayoría de los procesos industriales a nivel mundial, estaríamos
hablando directamente de su máquina generadora conocida como Caldera.
Debido al elevado costo de una maquina generadora de vapor importada ,este se
convierte en un obstáculo para las empresas nuevas que necesitan una caldera para sus
procesos industriales, y que no están en la capacidad económica de realizar tal
inversión.
Bajo este concepto la empresa MICROEMPAQUES S.A. ha tomado la decisión
de apoyar e invertir en este proyecto de diseño y construcción de una caldera que
satisfaga las necesidades para la producción de cartón corrugado.
1.2.- OBJETIVOS GENERALES
Diseñar y construir una caldera que satisfaga con la demanda de vapor para la
producción de la compañía MICROEMPAQUES S.A.
Reducir el costo de esta maquina generadora de vapor con relación a una semejante
pero importada.
Mantener todas las normas de seguridad y protección durante todo el proceso de
construcción y de operación una vez entregada la máquina.
1.3.- OBJETIVO ESPECIFICO
Entregar la cantidad de vapor necesaria para la preparación del cartón
microcorrugado, y la preparación de la goma que se usa en este proceso industrial
en este caso particular 700 Kg. de vapor por hora a una presión máxima de 125 psi.
estos parámetros fueron entregados por la compañía comercializadora de la
maquinaría y equipos en los Estados Unidos
1.4.- ALCANCE
1.4.1.- PARTE TEORICA
Se empieza con una visión general de los diferentes tipos de calderas,
conceptuando a las calderas mas opcionadas para esta necesidad ,el procedimiento para
el diseño térmico y los materiales utilizados en la fabricación. También se indican las
propiedades más importantes del combustible que se utilizara en este caso el diesel.
1.4.2. - DISEÑO
Para la fabricación de la caldera se tomarán en cuenta los siguientes aspectos:
un prediseño térmico, un diseño térmico corregido para que cumpla con los parámetros
de diseño establecidos, y un diseño mecánico analizando y comparando con
parámetros establecidos por fabricantes internacionales de calderas.
1.4.3. - CONSTRUCCION
Esta caldera será construida en su totalidad en talleres ecuatorianos
especializados en este tipo de trabajos ,bajo permanente supervisión durante todas las
etapas de fabricación.
1.4.4.- MANUAL DE MANTENIMIENTO
Estará incluido un manual de operación en el que se indicará la manera
general de manejar la caldera desde su encendido ,además se entregarán los
procedimientos para mantener a la caldera en perfectas condiciones de
funcionamiento mediante un programa de mantenimiento.
II.- GENERALIDADES SOBRE LAS CALDERAS
DE TUBOS DE FUEGO
2.1.- CALDERAS PIROTUBULARES
Estas calderas también son conocidas como " calderas de tubos de humo "o
como" calderas pirotubulares"
Su nombre se deriva del hecho que en las calderas de este tipo todo el trabajo o
la mayor parte del mismo es realizado por transferencia de calor desde los productos de
combustible caliente ,los cuales fluyen por el interior de los tubos, mientras que el agua
se encuentra rodeando a dichos tubos.
En estas calderas el agua y el vapor se encuentran contenidos en una carcaza o
envolvente ,incluyendo los elementos para producir vapor. Aunque la forma ideal para
resistir presiones internas es un esfera ,sin embargo por consideraciones practicas se ha
optado por construirlas básicamente en carcazas cilíndricas.
Secciones no cilíndricas y ciertas superficies planas han sido añadidas con el fin
de proporcionar resistencia a presiones internas por varios métodos tales como :tirantes
diagonales, pernos continuos, o tubos tirantes.
Estas calderas presentan limitaciones en su resistencia estructural para altas
presiones, pues en el caso contrario se tendrían que diseñar calderas pirotubulares de
diámetros muy grandes y espesores también excesivos, lo cual sería antieconómico
comparado con la producción de vapor que se generaría. Tiene sin embargo ,la ventaja
de su gran volumen de almacenamiento de agua, además de su peculiaridad de
compensar los efectos de las grandes y repentinas fluctuaciones en la demanda de
vapor. Debido a su gran volumen de agua ,el tiempo que necesita para alcanzar su
presión de trabajo , partiendo de un arranque en frío, es considerablemente mayor que
el requerido por una caldera acuotubular.
2.1.1.- CARACTERISTICAS
Las calderas pirotubulares se usan principalmente para sistemas de calefacción
para la producción de vapor requerido en los procesos industriales o como
calderas portátiles.
Se construyen en tamaños de hasta unos 6.800 Kg. (15.000 lb) de vapor por
hora. La caldera de baja presión esta limitada a 1.05 Kg/cm2 (15 lb/plg
2 )de
presión de vapor, y la caldera de vapor para generación de fuerza , puede operar
a una presión de 17.6 Kg/cm2 ( 250 lb/plg
2 ).
La caldera pirotubular se usa generalmente en donde la demanda de vapor es
relativamente reducida, comparada con la demanda de las grandes centrales
termoeléctricas.
No se utiliza para el accionamiento de turbinas , porque no es convenientemente
adaptable a la instalación de supercalentadores.
Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitada y depende del tipo de la
caldera ; con el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se
eleva rápidamente.
El costo de una caldera pirotubular instalada, es relativamente bajo y
considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular de domo.
Y como ofrece condiciones favorables con respecto a sus costos de fabricación ,
es perfectamente adaptable a la producción estandarizada.
El diseño de la caldera de tubos de humo se basa principalmente en el hogar y en
los pasos de los gases a través de los tubos.
Se han desarrollado muchos dispositivos .Los tubos han sido colocados
horizontalmente, inclinados y en posición vertical, con uno o más retornos.
La caldera recibe la denominación de caldera de tubos continuos o de tubos de
retorno, de acuerdo con la dirección del flujo de los gases. Puede tener un hogar
interno , o estar dotada de fogón externo.
El hogar interno puede ser del tipo de tubo recto, localizado dentro del cuerpo
cilíndrico y rodeado por paredes de agua, o puede ser del tipo de caja , con el
fogón rodeado de una superficie enfriada por agua, que recibe el nombre de
paredes de agua, con excepción de la parte de abajo (piso).
2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CALDERAS
PIROTUBULARES
- VENTAJAS –
Menor costo de fabricación
Se construyen en tamaños relativamente pequeños para su manejo e instalación
Son portátiles
Fácil mantenimiento
Almacenan gran volumen de agua
Soportan fluctuaciones en la demanda de vapor
- DESVENTAJAS –
Presentan limitaciones para altas presiones
Producción de vapor relativamente reducida
Espacio limitado para la instalación de equipos auxiliares como supercalentadores.
2.3.- FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA
CALDERA
Llevar el calor desde el hogar donde se quema el combustible, hasta el agua que
se encuentra dentro de la caldera presenta el problema de la transferencia de calor.
El calor puede transferirse de un punto a otro por tres métodos distintos :
radiación , convección y conducción. Las calderas están diseñadas de manera que
utilicen perfectamente los tres métodos.
2.3.1.- RADIACIÓN
Es el fenómeno de transferir el calor en forma de ondas similares a las ondas de
radio y de la luz. Así como la luz estas ondas pasan libremente por el aire y otras
materias transparentes sin efecto aparente en ellas .
Las llamas del combustible ardiendo dentro del hogar en todas direcciones, de
este calor radiante un gran porcentaje pasa directamente de la llama a la superficie de
calefacción de la caldera, donde es absorbido.
2.3.2. - CONVECCIÓN
La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. El
fluido frío adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto
del fluido frío mezclándose con él. La convección libre o natural ocurre cuando el
movimiento del fluido no se complementa por agitación mecánica . Pero cuando el
fluido se agita mecánicamente , el calor se transfiere por convección forzada.
2.3.3. - CONDUCCIÓN
Se efectúa cuando se transmite energía por contacto directo entre las moléculas
de 2 o más cuerpos que se encuentran en buen contacto térmico entre sí ; o sea que las
moléculas calentadas comunican su energía a las otras que se encuentran
inmediatamente adyacentes a ellas.
En general , los sólidos conducen calor mejor que los líquidos y los líquidos
mejor que los gases. Esto se explica debido a la diferencia de estructura molecular ,
puesto que las moléculas de un gas al encontrarse muy separadas, la transferencia de
calor de molécula a molécula se torna más difícil.
2.4. - CLASIFICACION DE LAS CALDERAS
PIROTUBULARES
Las calderas pirotubulares se pueden clasificar bajo diferentes aspectos entre los
más importantes tendríamos según su posición, según el fondo de la parte posterior,
según el número de pasos; se podría considerar también por el tipo de combustible
quemado sobre todo cuando la diferencia esta entre un combustible sólido y un
combustible líquido.
2.4.1. - SEGUN SU POSICION
Las calderas de tubos de fuego se las puede encontrar según su posición en
horizontales y verticales, siendo las comunes y utilizadas las de posición horizontal.
FIG. 1: Clasificación de las calderas pirotubulares por la posición en que se encuentran
2.4.2. - SEGUN EL FONDO DE LA PARTE POSTERIOR
La parte posterior de la cámara de combustión en una caldera puede ser de dos
tipos de fondo seco y de fondo húmedo es decir que la cámara se encuentra enfriada
por agua.
FIG. 2: Clasificación según el fondo de la parte posterior de la cámara.
2.4.3. - SEGUN EL NUMERO DE PASOS O RETORNOS
Bajo este parámetro podemos encontrar calderas de dos pasos (fondo seco), tres
pasos (con o sin enfriamiento de agua), cuatro pasos (fondo seco).
FIG. 3: Clasificación según el número de pasos.
2.4.4. - SEGUN EL COMBUSTIBLE QUEMADO
Este parámetro dependerá de la factibilidad de quemar los diferentes tipos de
combustibles líquidos, sólidos y gaseosos, dentro de los mas utilizados estarían el
Diesel, el Búnker, el Gas (glp), la madera, el carbón etc.
2.5. - CALDERAS PIROTUBULARES HORIZONTALES
La mayor parte de las calderas tanto de aplicación industrial como de aplicación
marina que son usadas actualmente son del tipo horizontal.
Las características de este tipo de calderas son bastante parecidas, a
continuación detallaremos sus partes principales:
2.5.1. - EL CUERPO O CASCO
El cuerpo de la caldera esta compuesto básicamente por un cilindro de plancha
de acero en el cual se encuentra formando parte integral el hogar y los tubos de fuego.
La línea del nivel de agua se fija generalmente en un punto localizado a no
menos de 5 cm. Arriba del borde de la hilera superior de los tubos de fuego, o de la
placa de la corona. El espacio comprendido arriba del nivel de agua es llamado cámara
de vapor.
El casco de una caldera de tubos horizontales con piernas de agua, comprende
una placa de extensión de la envolvente, prolongada por las placas que forman la caja
de fuego o el hogar.
FIG. 4: Cuerpo o casco de una caldera pirotubular horizontal.
2.5.2. - EL HOGAR
El hogar constituye la parte de la caldera donde se realiza la combustión de la
mezcla aire, suministrado por un ventilador, y el combustible pulverizado a través de
un quemador.
El hogar en las calderas pirotubulares va localizado según el tipo de fabricante,
este puede ser centralizado en unos casos y un poco desplazado hacia la base o parte
inferior de la caldera en otros.
El hogar de las calderas pirotubulares lleva ladrillos refractarios los cuales van
pegados entre sí con cemento refractario, todos estos materiales deben ser resistentes a
las altas temperaturas que normalmente se producen en el hogar de toda caldera por
causa de la combustión.
Este material refractario constituye un recubrimiento interior del hogar, para
evitar que estas altas temperaturas alcancen y destruyan la cubierta o carcaza de la
caldera.
FIG. 5: Hogar de una caldera pirotubular horizontal.
2.5.3. - LA CAMARA DE COMBUSTION
En las calderas pirotubulares modernas se considera que esta forma una sola
parte con el hogar, sin embargo en las calderas Scotch, se denomina así la parte
posterior del hogar. Es decir en otras palabras al fondo posterior del hogar y en lo que a
esta parte concierne existen ciertas diferencias en el diseño de algunas calderas.
Es así que se denominan "calderas de fondo húmedo" a aquellas que tienen su
parte posterior enfriada por la misma agua de la caldera; en este grupo encontramos a
las calderas Scotch, Kewanee y a las Distral.
Por otra parte, se denominan "calderas de fondo seco" a aquellas que tienen su
parte trasera o posterior en contacto con los gases provenientes de la combustión
realizada en el hogar, en este grupo encontramos a las calderas York Shipley y Cleaver
Brooks.
Del esquema se puede observar que los tubos de las calderas con fondo seco son
todos de la misma longitud, no así los tubos de la caldera con fondo húmedo que son
de dos longitudes diferentes. Por otra parte cabe notar que la tapa de registro de la
caldera de fondo seco ubicada en la parte trasera es de mayor dimensión que la caldera
de fondo húmedo, lo cual facilita su acceso para inspección o limpieza. ( Fig. 2 )
2.5.4. - TUBOS DE FUEGO Y SU NUMERO DE PASOS
Los tubos de fuego son construidos de acero de bajo porcentaje de carbono. La
forma como se encuentren estos distribuidos definirá él numero de pasos o retornos de
gases circulando por el interior de los mismos.
Todos los tubos se encuentran soportados y unidos en sus extremos a placas o
espejos, en los cuales van expandidos, biselados y pestañeados; o soldados según sea el
tipo y marca de la caldera.
Los tubos de fuego son regularmente de 51 mm a 102 mm (2"a 4") de diámetro,
y su selección depende de la perdida de tiro y del tipo de combustible a usar.
Frecuentemente se aumenta el diámetro en 25 mm por cada 1.22 m de aumento en la
longitud de los tubos. Esta relación es variable. Las calderas portátiles con chimeneas
cortas, requieren diámetros grandes en los tubos; las que van dotadas de ventiladores
de tiro, pueden llevar tubos de menor diámetro.
FIG. 6: Disposición de los tubos para una caldera de tres pasos.
Cabe indicar que en las calderas de tres pasos, se obtiene la máxima
transferencia de calor en el segundo y tercer paso osea en los tubos de fuego, ya que
los mismos representan la superficie de calentamiento principal de esta máquina
térmica.
En las calderas de cuatro pasos , el 40% del calor es transferido en el hogar y el 60% es
transferido en los otros tres pasos de los gases a través de los tubos.
En lo referente a la superficie de calefacción de las calderas pirotubulares , se
puede decir en general que todas se encuentran diseñadas tomando como base de 4 a 5
pies cuadrados de calefacción por caballo caldera (bhp). Esto significaría que una
caldera que tenga 750 pies cuadrados de superficie de calefacción tendrá
aproximadamente 150 caballos caldera de potencia calorífica.
2.5.5. - PUERTAS O TAPAS DE REGISTRO
Las puertas de acceso a los tubos se encuentran localizadas frente a los mismos;
las puertas para la limpieza se encuentran en las cajas de humo y otras partes
convenientes. Estas puertas son necesarias para remover el hollín y para el cambio de
tubos.
Para el acceso se cuenta con registros de hombre, (Manhole) y para la limpieza,
desfogue de sedimentos y lodos, así como para la inspección de las partes en contacto
con el agua, se dispone de registros de mano (Handhole) y orificios con tapones
roscados.
Los grifos de drenaje colocados en las partes inferiores, se conocen como grifos
de purga. El vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la caldera por una
o varias boquillas o conexiones roscada.
2.5.6. - CHIMENEA
La chimenea es el ducto que conduce por medio de un tiro los gases producto
de la combustión hacia afuera de la caldera.
El tiro natural se crea cuando la presión barométrica en un punto determinado es
inferior al que existe en la región adyacente, en otras palabras se entiende por tiro
natural, la diferencia de presiones originada por la altura de la chimenea y la mayor
temperatura de los gases de combustión con respecto al medio ambiente, dando como
resultado una corriente de aire desde el hogar hacia el exterior de la caldera.
En cambio el tiro forzado significa introducir aire a presión al hogar. Utilizando
ventiladores y el tiro inducido por su parte significa succionar los gases de combustión
a través de ventiladores instalados en la chimenea, para sacarlos hacia el exterior.
FIG. 8: Chimenea y cubierta para una chimenea.
III.- COMBUSTION
En este capitulo se realiza un análisis del proceso de combustión a efectuarse en
el hogar de la caldera; esto es la determinación de los productos de combustión y de la
temperatura de la llama, considerada como la temperatura inicial.
Por otro lado se selecciona el combustible y se incluyen las propiedades y
características que presenta en el país.
3.1. - ELEMENTOS DE LA COMBUSTION
La combustión es un proceso químico que se produce por la unión de
substancias combustibles con él oxigeno.
Los combustibles comerciales presentan básicamente tres elementos
susceptibles de oxidarse: carbono, hidrógeno y azufre. El oxigeno mantiene la
combustión y el nitrógeno no reacciona, sin embargo a elevadas temperaturas, el efecto
de la disociación puede hacer que reaccione y forme óxidos los cuales dan lugar a
problemas de contaminación.
El azufre produce normalmente ácidos los cuales son contaminantes y provocan
corrosión en los metales. Adicionalmente se puede decir que existe agua en los
reactantes debido a la humedad del aire y del combustible.
3.2. - REQUISITOS PARA LA COMBUSTION.
Los requisitos específicos para obtener una combustión adecuada son
particularmente para cada combustible. Es posible sin embargo, delimitar ciertas
consideraciones generales y a partir de ellas formar las bases del diseño para la
combustión. Estos requisitos son:
El suministro de aire debe ser tal que asegure suficiente oxigeno para una
combustión completa.
Puesto que la combustión completa no necesariamente es combustión eficiente, se
debe asegurar que el exceso de aire introducido sea solo el necesario, ya que este
produce una baja temperatura en los gases.
El suministro de aire debe ser de tal manera que entre en libre e intimo contacto con
las substancias combustibles.
Para la combustión, el aire y el combustible deben mantenerse a una temperatura
mayor o igual a su punto de ignición hasta que la combustión se complete.
3.3. - COMBUSTION EN LAS CALDERAS
La calidad de la combustión en las calderas es importante, pues esta tiene
influencia directa sobre:
La eficiencia
El mantenimiento, y
La seguridad de funcionamiento.
Los depósitos de combustible no quemado combinado con impurezas afectan la
transferencia de calor al agua en las calderas y al vapor en los recalentadores; por otra
parte, la normal dosificación de combustible al iniciarse un ciclo de operación puede
originar explosiones en el lado de fuego de las calderas.
Por lo tanto, una adecuada combustión evitará todas las anomalías arriba
mencionadas.
Para que se produzca la combustión es necesario la presencia de los siguientes
elementos:
Un elemento combustible: diesel oíl, fuel oíl, etc.
Un elemento comburente: el aire
Un elemento de ignición: chispa.
El carbono, hidrógeno, y oxígeno son algunos de los elementos que contiene el
combustible, los cuales se queman al combinarse con el aire suministrando calor,
mientras los demás componentes reducen la cantidad efectiva de calor liberado.
3.4. - ELECCION DEL COMBUSTIBLE
En general en calderas se puede utilizar combustibles sólidos, líquidos o
gaseosos. Dentro de los sólidos se emplean carbón, madera o desechos combustibles
provenientes de cualquier proceso. Los combustibles líquidos empleados son Diesel y
Búnker y los gaseosos generalmente son subproductos provenientes de la explotación
del petróleo.
La selección de un tipo de combustible, dependerá de los criterios del diseñador
y de la facilidad con que tenga acceso a ellos.
Un factor predominante para la selección del combustible es el aspecto
económico, que debe involucrar análisis de costos, no solo del combustible sino de las
instalaciones necesarias para su almacenamiento, transporte y dosificación. Un
ejemplo clásico se da entre el diesel y el búnker, aunque el segundo tiene menor costo
por galón, requiere intercambiadores de calor para su fluidización, así como
instalaciones mixtas con diesel para encendido y apagado de la caldera.
En lo referente a los combustibles gaseosos, en comparación a los líquidos estos
presentan inconvenientes para su almacenaje, transporte y suministro.
3.4.1. - TABLAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
MAS COMUNES
Por ser el Diesel # 2 y Fuel oíl # 6 (búnker) los combustibles mas utilizados en
este tipo de calderas tabularemos las características más importantes de cada uno de
ellos, de acuerdo a datos experimentales tomados de la tesis de la Universidad Central
del Ecuador, determinación del poder calórico de combustibles medios y pesados
producidos en el Ecuador
Tabla 1: Propiedades aproximadas del Diesel # 2 para consumo nacional (fuente: Calderas
Industriales y marinas del Ing.Angel Vargas.)
PROPIEDADES DEL DIESEL
Viscosidad SSU a 100° F 36 a 45
Gravedad especifica 0,849 a 0,86
Grados API 33 a 35
Punto de inflamación ( °F ) 180
Poder calórico superior ( Kcal / Kg ) 10.700
Contenido de azufre % 0,49
Contenido de vanadio ( ppm ) 1,5
Tabla 2:Propiedades aproximadas del Bunker para consumo nacional ( Fuente : Calderas
Industriales y marinas del Ing.Angel Vargas.)
PROPIEDADES DEL BUNKER
Viscosidad SSU a 100° F 3714 a 3805
Gravedad especifica 0,950 a 0,953
Grados API 16,9 a 17,4
Punto de inflamación ( °F ) 285
Poder calórico superior ( Kcal / Kg ) 10.900
Contenido de azufre % 1,5
Contenido de vanadio ( ppm ) 120
Contenido de cenizas % 0,04 a 0,15
3.4.2. - CARACTERISTICAS GENERALES DEL DIESEL
Fácil almacenaje y manejo en bombas, tuberías y controles.
Fácil regulación de la combustión
Puesta en servicio rápida y fácil
Presenta pequeñas porciones de ceniza, dando lugar a menores pérdidas de calor y
poca formación de escorias.
Su densidad relativa es menor que 1, por lo que su purificación es fácil.
3.4.3. - CARACTERISTICAS GENERALES DEL BUNKER.
Almacenaje bajo control de temperatura
Manejo cuidadoso en bombas , tuberías y controles
Necesita cierto tiempo para alcanzar la temperatura de servicio cuando el equipo
estuvo fuera de servicio.
Presenta grandes cantidades de cenizas e impurezas por lo que el tiempo de
limpieza de la caldera es menor.
3.5. - AIRE REQUERIDO PARA LA COMBUSTION
Para un determinado peso de un combustible normalmente se requiere un peso
preciso de oxígeno para quemar así los componentes químicos de este combustible.
Como el aire es una mezcla de oxígeno, nitrógeno y otros gases, un peso preciso
de oxígeno es equivalente a un peso de aire que es suficientemente constante para los
propósitos de la combustión.
Sin embargo en la practica la completa combustión del fuel o de cualquier
combustible no podría ser efectuada sino se suministrara algo de aire en exceso de
aquel requerido para una combustión teóricamente perfecta.
El exceso de aire se determina por la experiencia, y la cantidad óptima depende
de varios factores, entre ellos:
Garantizar la combustión completa
Tratar de asegurar turbulencia y mezcla completa del aire con el combustible
pulverizado.
Del combustible a emplearse
Del método de quemado
De la disposición y proporciones de la cámara de combustión
Bajo estas consideraciones, para calderas que emplean quemadores a diesel, se
recomienda que el porcentaje de aire de exceso sea entre 5 y 20%, cantidades mayores
disminuyen la eficiencia, ya que roban inútilmente energía, refrigeran los gases de
combustión y aíslan la llama de las superficies de caldeo.
En la figura se puede observar el efecto del porcentaje de aire teórico sobre al
eficiencia de la caldera.
FIG. 9: Efecto del porcentaje de aire teórico en la eficiencia de la caldera
En la gráfica se observa que entre el 100 y 120% de aire se obtienen los valores
máximos de eficiencia caracterizándose por ser una zona con alto contenido de C02 y
prácticamente ausencia de CO; una comprobación visual de esta condición es que la
llama presenta un color dorado y los gases de escape son transparentes. Cuando los
humos aparecen de color negro es un indicador de que existe insuficiencia de aire,
mientras que los humos blancos revelan un exceso de aire.
3.6. - EFICIENCIA DE LA COMBUSTION
La eficiencia de la combustión representa la cantidad de calor neto que el
combustible puede entregar a los gases. La disminución de calor útil se debe por un
lado, a que en el fenómeno de la explosión se pierde algo del calor de combustión por
conducción y radiación;
Además existen pérdidas provenientes del quemador dadas por muchos
factores, entre los que pueden mencionarse:
falta de atomización , goteo
carbonización del combustible en las boquillas
fallas en el suministro de aire, etc.
Estas pérdidas se han estimado en un 5% del poder calórico neto, y son
consideradas como irreversibles.
3.7. - EFECTOS QUE PRODUCE LA INSUFICIENCIA DE
AIRE
La experiencia ha demostrado que la mayor perdida de eficiencia en una
caldera, y en general de toda la planta de poder, proviene de una combustión
inadecuada en las calderas, la que es debida en gran parte a un mal manejo y control
sobre los ventiladores de tiraje, los que proporcionarán aire en exceso o en cantidad
insuficiente.
La ecuación química (3.1) (3.2). REF. 1 explica el efecto de la insuficiencia
de aire, el carbono contenido en el petróleo, puede oxidarse hasta formar dióxido de
carbono, con la cantidad apropiada de aire, la oxidación completa del carbono hasta
dióxido de carbono esta indicada por la ecuación:
C + O2 = CO2 + 14.500 Btu ( 3.1 )
Con una cantidad insuficiente de aire, la reacción sería:
C + ½ O2 = CO + 4.440 Btu ( 3.2 )
Al comparar las dos ecuaciones puede observarse que en la combustión
incompleta del carbono en el combustible hay una reducción de 10.100 Btu por libra
de carbono.
Esto demuestra la perdida de calor útil debida a que el suministro de aire al
hogar es inadecuado. Una perdida mayor de calor se producirá si la cantidad de
aire suministrado es disminuida en tal forma que el oxígeno no alcance a oxidar al
carbono hasta monóxido de carbono.
Felizmente esta última condición es fácilmente reconocida, porque el carbono
no quemado abandona la caldera junto con los gases, por la chimenea, como humo
negro denso. El aspecto de la llama en el hogar es indicativo de la calidad de la
combustión.
La llama aparece de un color rojizo obscuro cuando todo el carbono no alcanza
a quemarse para formar monóxido de carbono. Cuando todo el carbono se quema hasta
formar monóxido de carbono la llama es de color anaranjado.
Si todo el carbono se quema hasta formar bióxido de carbono, la llama del
hogar aparecerá de un color amarillo dorado, cuando la cantidad de aire sea la correcta.
En estas condiciones por la chimenea saldrá una neblina de color café claro,
semitransparente, que es indicativa de combustión correcta, se le llama " punto de
humo " y debe ser conocida por todos los operadores de calderas para obtener las
mejores condiciones de eficiencia.
3.8. - EFECTO DEL EXCESO DE AIRE
La combustión completa del petróleo no asegura el logro de la condición más
eficiente, se necesitan 13,52 lb. de aire para quemar en condiciones ideales cada libra
de carbono hasta la formación de bióxido de carbono, dato tomado del libro Caderas
industriales y marinas del Ing.A.Vargas, 1984,pp170.
Bajo las condiciones reales del hogar, se hace necesario proporcionar mas de
13,52 lb. de aire para la oxidación completa de cada lb de carbono; perdidas inevitables
hacen imposible la combustión perfecta y será necesario un 110 a 115% de la cantidad
ideal del aire, para quemar totalmente el petróleo. Esto representa un 15% de exceso de
aire.
El exceso de aire se define como la cantidad extra de aire necesario sobre la
cantidad ideal, para la combustión completa del petróleo en el hogar. A parte de la
pequeña cantidad que se aporta para asegurar la combustión completa, el exceso de
aire no cumple otra función útil en el hogar. Una vez que el carbono se ha oxidado por
completo con 2,667 libras de oxígeno, el resto del aire queda inactivo.
Como el exceso de aire incrementa el volumen de nitrógeno y otros gases no
combustibles que absorben el calor, en realidad reduce el calor útil que se obtiene del
petróleo.
La presencia de un exceso de aire mayor que el necesario, se reconoce en el
hogar por la llama blanca, opaca o brillante, según sea su cantidad.
La apariencia de los gases en la chimenea también son indicativos de la
proporción de exceso de aire. Cuando los gases son incoloros o de color blanco, el
exceso de aire suministrado a la caldera es mayor que el necesario.
Cuando en la chimenea aparece humo blanco (no transparente), el aire que pasa
por los registros ha alcanzado tal velocidad, que arrastra al exterior partículas de
petróleo que no han terminado de quemarse.
Estas partículas oxidadas parcialmente, dan al humo un color blanco.
3.9. - REQUISITOS PARA UNA COMBUSTION EFICIENTE
Los requisitos para obtener una combustión eficiente del combustible pueden
ser resumidos básicamente en los siguientes puntos:
El combustible debe ser atomizado eficientemente en el rango o alcance requerido
de salida desde el quemador
El suministro de aire debe ser inyectado de tal forma que se mezcle íntimamente
con el combustible atomizado.
El tiempo disponible para la combustión de la gotita más grande debe ser suficiente
para que la combustión sea completa antes que la gotita entre en
contacto con una superficie fría o por radiación.
La temperatura del hogar deberá estar relacionada con el tiempo disponible arriba
indicado.
3.10. - TEMPERATURA DE LA LLAMA
La temperatura que alcanza la combustión depende de factores como:
Poder calórico del combustible
Exceso de aire
Radiación de calor de la llama a las paredes del hogar.
A continuación en la tabla 3.1 se presenta temperaturas de llama productos de
la combustión de diesel nacional para porcentajes de aire entre 100 y 120%.
Tabla 3.1: Temperaturas de llama de los productos de combustión para distintos porcentajes de
exceso de aire. ( Fuente: Tesis Escuela Politécnica Nacional, A.Vaca, 1983)
% aire teórico
TEMPERATURAS
( ° K ) ( ° C )
Adiab. Llama Adiab. Llama
100
105
110
115
120
2400
2377,1
2303,8
2235,8
2172,4
2358,6
2283,1
2213,2
2148,2
2087,7
2126,8
2103,9
2030,6
1962,6
1899,2
2085,4
2009,9
1940,1
1875,1
1814,5
IV.- DISEÑO TERMICO
4.1. - PARAMETROS DE DISEÑO
Para iniciar el diseño térmico de esta caldera fueron necesarios los siguientes
requerimientos industriales de la empresa MICROEMPAQUES S.A., los cuales a su
vez fueron entregados por los fabricantes de las maquinas en los Estados Unidos, las
cuales serían implementadas en esta nueva planta de procesamiento de cartón
corrugado.
Estos requerimientos son los siguientes:
Cantidad de vapor por hora ( flujo másico ) :
1.543 lb vapor / hora = 700 Kg vapor / hora
Presión máxima de operación :
125 Psi = 8,78 Kg/cm2
Para el diseño térmico de esta caldera se tomará el procedimiento de cálculo
para intercambiadores de calor del libro de DONALD KERN.
4.2. - CALCULO DE LA POTENCIA DE LA CALDERA
La potencia en HP de caldera, tal como fue establecida en 1889 por la ASME,
estaba basada en una máquina de vapor que empleaba 13,62 kg de vapor por HP hora a
una presión relativa de 4,9 kg/cm2 y con agua de alimentación a 38,5
oC. Esto
corresponde a la vaporización de 15,66 kg de agua por hora a 100oC, lo cual significa
la conversión de 15,66 kg de agua por hora a 100oC en vapor seco a 100
oC, a la presión
atmosférica normal ( 1,033 kg/cm2 ).
En estas condiciones cada kg. de vapor producido requiere la entalpia de vaporización
a la presión atmosférica normal, la cual vale 543,4 Kcal. Por consiguiente la capacidad
de una caldera podrá expresarse de la siguiente manera:
REF. 2
( h - hf )
HPCALDERA = ( 4.1 )
543,4 x 15,66
= Flujo másico de vapor producido por la caldera (Kg./h)
h = Entalpia del vapor en condiciones de salida (Kcal/Kg.)
hf = Entalpía del agua en condiciones de entrada (Kcal/Kg.)
Entonces :
= 700 Kg./h
h = 666,93 Kcal/Kg. ( vapor saturado y seco a 8,78 Kg/cm2 )
hf = 70,49 Kcal/Kg. ( líquido comprimido a 8,78 Kg/cm2 y 70
oC )
Para optimizar el consumo de combustible toda caldera debería alimentarse con
agua caliente, así nos indica el Ing. Angel Vargas autor del libro “ Calderas
Industriales y Marinas “ siendo una temperatura promedio la de 70º C, con este valor
sería más fácil alcanzar una temperatura de ebullición del agua y a la presión de trabajo
que estuviere operando la caldera.
700 ( 666,93 - 70,49 )
HPCALDERA = ( 4.2 )
543,4 x 15,66
HPCALDERA = 49,06 BHP.
4.3. - PLANTEAMIENTO Y SELECCION DE
ALTERNATIVAS
4.3.1. - ALTERNATIVAS POR LA POSICION RELATIVA DE LOS GASES
Y DEL AGUA
4.3.1.1. - Alternativa 1: Caldera pirotubular
En este tipo de calderas los gases de la combustión viajan por el interior del
tubo y el agua se encuentra rodeando a los tubos de fuego.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Se construyen en tamaños pequeños y
medianos
Buena producción de vapor
Vida útil considerable
Costo relativamente bajo
Son portátiles
Menor tiempo de construcción
Tiene limitaciones para altas presiones
Tienen limitación para grandes demandas de
vapor
4.3.1.2. - Alternativa 2: Caldera acuotubular
En este tipo de calderas el agua circula por el interior de los tubos mientras que
los gases calientes de la combustión rodean a los tubos.
VENTAJAS DESVENTAJAS
Trabajan a grandes presiones
Tienen excelente rendimiento
Posibilidad de instalar equipos para
obtener vapor de mejor calidad (
sobrecalentadores )
Para su instalación necesitan una área
extensa
Mayor tiempo para su construcción
Costo elevado
Mayor consumo de combustible
4.3.2. - ALTERNATIVAS POR LA POSICION DE LOS TUBOS