Calderas Industriales
Definiciones Básicas
En
su concepción más simple, las calderas son equipos diseñados para transferir
calor producido por combustión, o mediante electricidad, a un fluído
determinado. Existen una gran variedad de calderas; el más simple podría ser
concebido como el sencillo hervidor de agua casero, existiendo en el otro
extremo gigantescos calderos para generación termoeléctrica operados por
computadora. El primer caldero industrial de vapor utilizado representaba un
solo tubo de intercambio térmico. Las necesidades de disponer gradualmente de
fluidos (agua caliente, vapor, aceite térmico) con características cada vez más
exigentes de presión y temperatura, determinaron que los calderos se vayan
tornando cada vez más complejos, hasta llegar a los modernos sistemas de
generación de vapor a presiones críticas y supercríticas para generación
eléctrica. Se emplean para producir agua caliente, vapor saturado, vapor
sobrecalentado o calentar aceite térmico. Los calderos, exceptuando los
eléctricos, tienen 6 partes básicas : .
Quemador :
Aporta el combustible y el aire de combustión (comburente), los mezcla y
produce la combustión. Sus características dependen del combustible, debiendo
disponer de los mecanismos de regulación que permitan formar una llama adecuada
al hogar o cámara de combustión.
Cámara de Combustión:
También llamado hogar, es el espacio donde se aloja la llama, es decir, se
produce la combustión y se transfiere calor por radiación.
Sección de Convección:
Zona donde se transfiere el calor de los gases de combustión al fluido a través
de las superficies de calefacción (tubos).
Chimenea:
Por donde se eliminan los gases de combustión después de transferir calor al
fluido, permitiendo regular el tiro.
Ventiladores de Aire:
Proporcionan el aire de combustión con el caudal suficiente para aportar el
oxígeno para la combustión y el impulso necesario para formación de llama e
impulsar los gases a través del caldero. En equipos grandes, puede requerirse
un ventilador exhaustor para tiro inducido.
Instrumentaciones y Controles:
Permiten efectuar la operación con la mayor seguridad y alcanzar mayores
niveles de eficiencia.
Clasificación de las calderas
Las
calderas se clasifican según diferentes criterios relacionados con la
disposición de los fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de
calor dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el
tiro, el modo de operación y parámetros exteriores al caldero ligados a la
implementación, ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales.
a)Por la disposición de los fluidos : -
De
tubos de agua (acuotubulares). –
De
tubos de humo (pirotubulares).
b) Por la circulación de agua : -
De
circulación natural. –
De
circulación asistida
De
circulación forzada.
c)
Por
el mecanismo de transmisión de calor: -
De
convección. –
De
radiación. –
De
radiación y convección.
d)
Por
el combustible empleado:
De
carbón mineral (parrilla mecánica o carbón pulverizado).
De
combustibles líquidos.
De
combustibles gaseosos. –
De
combustibles especiales (leña, bagazo, etc). –
De
recuperación de calor de gases de salida –
Mixtos.
Nucleares
e)
Por
la presión de trabajo:
Subcríticos.
De
baja presión p < 20 Kg/cm2.
De
media presión 20 > p > 64 Kg/cm2.
De
alta presión p > 64 Kg/cm2. –
Supercríticos.
f)
Por
el tiro: -
De
tiro natural. –
De
tiro forzado.
De
tiro inducido.
Presión
y temperatura de trabajo Desde el punto de vista de la elección
de la presión más conveniente para una caldera, podemos clasificar a éstos en
tres grandes grupos :
a)
Calderos
destinados a suministrar vapor saturado para procesos de calefacción.
b)
Generadores
de vapor recalentado para alimentar turbinas a contrapresión y aprovechar el
vapor de salida, después de saturarlo, para procesos de calefacción.
c) Generadores de
vapor recalentado para la producción de energía eléctrica en turbinas de
condensación.
La
elección de la presión del grupo (a) es inmediata, cuando lo que se requiere es
vapor para calentamiento. Como agente de calefacción se utiliza vapor saturado,
ya que el vapor recalentado tiene las propiedades de un gas y su coeficiente de
transmisión de calor es muy pequeño. Puesto que un buen intercambiador de calor
calienta un fluido a una temperatura aproximada de 10°C a 15°C por debajo de la
temperatura del vapor calefactor, partiendo de la temperatura necesaria en el
fluido a calentar, se deducirá la temperatura requerida en el vapor a la salida
del caldero, tomando en cuenta las pérdidas de calor en el transporte. Por
medio de las tablas Presión-Temperatura, se determina la presión a la cual se
tendrá que producir el vapor saturado, para alcanzar la temperatura adecuada.
El vapor saturado se utiliza como agente de transmisión de calor hasta
temperaturas de unos 200°C aproximadamente, lo que supone presiones del orden
de unas 18 atm. Por encima de estas presiones, su utilización suele ser
inconveniente por requerir tuberías y aparatos muy robustos; en estos casos se
utilizan fluidos portacalóricos y aceites térmicos.
Criterios
prácticos de selección de calderos La gran variedad de tipos
de calderos existentes y las múltiples posibilidades de conformación de los
equipos que integran un sistema de generación de vapor podrían hacer aparecer
como algo muy complejo la selección de un determinado caldero para atender un
requerimiento industrial de vapor, agua caliente o calentamiento de fluídos
térmicos. En el caso de calderos pirotubulares, la selección de equipos de uno,
dos, tres o cuatro pasos obedece a criterios técnicos y económicos. Mientras
mayor sea el número de pasos se conseguirá mayores eficiencias, pero los
equipos serán más caros. En acuotubulares, hasta cierta capacidad podrán ser
tipo paquete, pero a partir de cierto límite, variable para cada caso,
resultará conveniente montarlos en planta. La decisión respecto a la
instalación de economizadores y recuperadores de calor obedece igualmente a
criterios de factibilidad técnica y conveniencia económica, en función de la
capacidad de producción de vapor de los calderos y sus presiones de operación.
Conviene establecer, para evitar confusiones, que en la práctica industrial se
llama economizador al sistema que permite aprovechar el calor de los
gases de combustión para precalentamiento del agua de alimentación y recuperadores
a los que lo hacen para precalentamiento del aire de combustión. La
instalación de economizadores siempre resultará prioritario; instalaciones con
recuperadores y sin economizadores solamente resulta explicable por ignorancia
o mayores niveles de utilidad comercial para el proveedor.
Siempre
existirá la posibilidad de prevenir la corrosión por condensación, instalando
un by pass para circulación de los gases de salida cuando exista la posibilidad
de que su temperatura disminuya por debajo del punto de rocío.
El
calentamiento del aire disminuye su capacidad como comburente en forma
proporcional a la disminución de su densidad. Calentar el aire de combustión a
150 °C es equivalente a operar a una altura de 3.000 m.s.n.m.
Dentro
de las instalaciones de la industria petrolera vamos a conseguir comunmente 3
tipos de vapor:
Vapor
de baja presion , Vapor de Media presion y vapor de Alta presion.
Dependiendo
el diseño original de las empresas (y la cultura de la organizacion) los
equipos de medicion podemos encontrarlos en diferentes tipos de unidades de
medicion, (PSI - ATM
- Kg/cm2 - KPa)
A continuacion
les presento una tabla con los valores (regularmente manejados) para estos tres
tipos de vapor en las diferentes unidades.
|
Tipo de vapor
|
Presion
|
Temperatura
| ||||||
|
Bar
|
Kpa
|
ATM
|
PSI
|
Kg/cm2
|
°C
|
°F
| ||
|
Baja
|
3
|
300
|
2.96
|
43.51
|
3.06
|
134
|
273
| |
|
Media
|
12
|
1200
|
11.8
|
174
|
12.24
|
160
|
320
| |
|
Alta
|
41
|
4100
|
40.46
|
594
|
41.81
|
250
|
485
| |
En
algunos casos puede que se vean valores aproximados a los especificados los
cuales podras identificar rapidamente cual tipo de vapor es el que estas
manejando aproximandolos a los valores dados en esta tabla.
Vapor
el
vapor es la fuente de calor mas ampliamente usada en plantas químicas debido a
varias razones:
·
el calor de condensación del vapor es alto,
suministrando una cantidad de calor alta por kg de servicio industrial a temperatura
constante.
·
la tempertura puede ser controlada
precisamente con la presión.
·
el condensado tiene alto coef
transferencia=>economía.
·
el vapor no es tóxico, no es inflamable,
fácil de visualizar fugas e inerte para muchos fluidos de proceso.
El
vapor se puede presentar en tres tipos principalmente:
•VAPOR
DE ALTA PRESIÓN, 40 BAR, 250ºC DE CONDENSACIÓN.
•VAPOR
DE MEDIA PRESIÓN, 20 BAR, 212ºC DE CONDENSACIÓN.
•VAPOR
DE BAJA PRESIÓN, 3 BAR, 134ºC DE CONDENSACIÓN.
el
vapor de alta y media presión se utiliza para calentamiento o generación de
electricidad y el de baja para calentamiento moderado, despojamiento, limpieza,
esterilización y purga.
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