20/1/10

Partes principales de la caldera

PARTES PRINCIPALES DE LAS CALDERAS.

En la figura que se muestra en estos apuntes se muestra esquemáticamente las partes esenciales y algunas opciones necesarias para producir vapor por medio del calor liberado durante combustión de un combustible. Estos elementos son los siguientes:

1. - Un equipo para liberar calor del combustible.

2. - Una cámara de combustión

3. - Un medio para absorber el calor liberado.

4. - Un sistema para producir el tiro.

5. - Un medio de reposición del agua.

6. - Un medio para capturar el vapor generado.

7. - Un medidor de la presión del vapor y un indicador de nivel del agua.

8. - Un medio o medios para coordinar el funcionamiento.


I.- Equipo para liberar el calor del combustible.- Este equipo es básicamente el quemador, del cual existen varios tipos según el combustible que se use, la capacidad y la forma de operar, principalmente.

II.- Una cámara de combustión.- Es el espacio en donde se efectúa la oxidación del combustible o sea la reacción química entre el combustible y él oxigeno del aire, con desprendimiento de luz y calor. Esta cámara asume diferentes formas según el tipo de caldera.

III- Un medio para absorber el calor liberado.- El calor liberado durante la combustión debe pasar al agua para producir su vaporización pero sin que exista en ningún momento contacto directo entre los productos de la combustión y el agua o el vapor, ambos medios se encuentran separados por tubos, placas y otras superficies metálicas que constituyen los que se llama superficie de calefacción. Formando una variedad de intercambiador de calor.

IV- Un sistema para producir el tiro.- El aire necesario para suministrar él oxigeno para efectuar la combustión así como los productos de dicha combustión deben desplazarse adecuadamente a través de la caldera y ser desalojados a la atmósfera, esto se logra creando una corriente de aire a la que se denomina "Tiro", la cual puede obtenerse por medios naturales o mecánicos.

V- Un medio de reposición del agua.- En la medida en que se va produciendo el vapor, el nivel del agua va bajando, como el nivel del agua en la caldera debe conservarse dentro de limites definidos, es necesario suministrar agua nueva a la caldera para mantener el agua dentro de los limites definidos de operación pues si no se hace así pueden presentarse riesgos graves, los que pueden llegar hasta producir una explosión súbita. La reposición del agua recalentador del vapor, estos son intercambiadores de calor, opcionales, cuya función es obtener con el máximo aprovechamiento el calor que aun contienen los gases producto de la combustión.
VI- Un medio para capturar el vapor generado.- El vapor generado es capturado en el domo de vapor en calderas de tubos de agua y en el espacio libre de agua entre el nivel de agua y el cuerpo o casco de la caldera en calderas de tubos de humo.
VII- Un medidor de la presión del vapor y un indicador de nivel del agua.- Toda caldera debe de contar con un manómetro donde se pueda verificar la presión a la cual se encuentra la caldera así como un indicador de nivel de agua o mirilla que permita observar el nivel del agua dentro de la caldera.
VIII.- Un medio o medios para coordinar el funcionamiento.- Las calderas cuentan con un programador que es el encargado de coordinar el funcionamiento de la misma de manera automatica.

Terminos comunes a calderas

TERMINOS COMUNES A CALDERAS

GENERADOR DE VAPOR.-
Es la serie de dispositivos que aprovechando el poder calorífico de un combustible producen vapor. Un generador de vapor está compuesto básicamente, por cuatro transmisores de calor que son: La caldera propiamente con su hogar, el precalentador de aire, el economizador y el sobrecalentador.

SUPERFICIE DE CALEFACCION.-
Es la superficie de metal que está en contacto al mismo tiempo con los gases de combustión y con el agua o vapor, es decir, es toda la superficie de una caldera que está en contacto por un lado con el agua y por el otro está expuesta al fuego o a la corriente de los gases de la combustión. Se mide del lado de los gases en m2 o pies2, en las calderas de tubos de humo y por el lado del agua en las calderas de tubos de agua.

CABALLO CALDERA.-
Se dice que una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera, cuando es capaz de producir 15.65 kg/hr (34.5 lbs/hr.) De vapor saturado de 100°C (212°F), utilizando agua de alimentación de la misma temperatura. Cuando está cantidad de vapor se produce por cada m2 de superficie de calefacción (aproximadamente 10 pies2) se dice que la caldera está trabajando con 100% de carga.

CAPACIDAD NOMINAL.-
Se obtiene de acuerdo a la siguiente expresión:

Cn = Sc / K K = 1 m2 / CC K = 10 pies2 / CC

Donde:
Sc = Superficie de calefacción.
CC = Caballo caldera.

CAPACIDAD REAL.-
Cr = Q / 8450 Cr = Q / 33500

Q = Cantidad de calor que se está transmitiendo al fluido por hora en Kcal o Btu.

Q = w ( hv - hc)

Donde:
w = Cantidad de vapor que está produciendo la caldera por hora en kgs (lbs).
hv = Cantidad de calor que lleva la unidad de peso de vapor.
hc = Cantidad de calor que lleva la unidad de peso del agua de alimentación de la
Caldera. (En condiciones equivalentes).



PORCENTAJE DE CARGA ( R ).-
R = ( Cr / Cn ) x 100

Q = CC x 8450 x ( R / 100 )

Q = CC x 33500 x ( R / 100 )

Se llama porcentaje de carga de una caldera a la relación entre el calor que transmite por hora y el que debía de transmitir de acuerdo con su superficie de calefacción a razón de 8450 Kcal/hr/CC (33500 Btu/hr/CC).

¿ EN QUE UNIDADES SE MIDE LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA?
a) Calderas pequeñas. Kcal / hr. Btu / hr.

b) Calderas en la pequeña y mediana industria. Caballo Caldera.

c) Calderas grandes. Kg / hr Ton / hr Lbs / hr de vapor producido.

Conceptos basicos aplicables en calderas

CONCEPTOS BASICOS APLICABLES EN CALDERAS.

El vapor es ampliamente utilizado para calefacción, para secar pastas, para evaporar disoluciones químicas, para procesos de calentamiento, para mover turbinas, máquinas y bombas, para realizar los miles y miles de procesos en todas las ramas de la industria.

El vapor es utilizado en estos casos, simplemente porque existe una necesidad de calor y energía al mismo tiempo y el vapor es la manera mas adecuada y económica de transportar grandes cantidades de calor y energía.

El vapor es fácil de producir ya que se obtiene del agua y generalmente se requiere de un recipiente adecuado para producirlo industrialmente, este recipiente es una caldera o un generador de vapor.

Aunada con la producción de vapor, como es lógico se encuentran íntimamente ligados una serie de principios y cambios fundamentales, los cuales se explican en forma practica a continuación.

ENERGIA.-
La energía es inherente en la materia. Por energía indicamos algo que aparece en muchas formas, las cuales se relacionan entre sí, por el hecho de que se pueden hacer la conversión de una forma de energía a otra. El termino general de energía no es definible, pero si se puede definir con precisión las diversas formas en que aparece.

La energía solo tiene magnitud (y sentido), por lo tanto es una cantidad escalar. La energía de un sistema de cuerpos es simplemente la suma de las energías (con sus sentidos) en cada uno de ellos. O sea que la energía total de un solo sistemas es la suma de las magnitudes (con sus sentidos o signos) de las diversas formas de energía (cinética, mecánica, química, térmica, etc.).

La materia esta compuesta de un agregado de moléculas que sé esta moviendo continuamente, pero al azar. Como las moléculas tienen masa, tienen energía cinética interna, la energía cinética interna total, se origina principalmente por: el movimiento de traslación de las moléculas; el movimiento de rotación de las moléculas y un movimiento de vibración de los átomos dentro de las moléculas.

Además de la energía cinética interna, las sustancias tienen una energía potencial interna, cuyo cambio resulta de una fuerza de atracción entre las moléculas que cambian de posición unas respecto a otras.

La suma de estas energías se llama energía interna, que es la energía almacenada en un cuerpo o sustancia en virtud de la actividad y configuración de sus moléculas y de las vibraciones dentro de ellas. Nos referimos a esta energía como energía molecular o térmica.

CALOR.-
El calor es energía en transición (en movimiento) de un cuerpo o sistema a otro, solamente debida a una diferencia de temperatura entre los cuerpos o sistemas.

Es una forma de energía que causa un cambio físico en la sustancia que es calentada. Sólidos, tales como metales, cuando son calentados inicialmente, se expanden y aumentan su temperatura, hasta cambiar al estado liquido.

Los líquidos cuando son calentados, vaporizan y el vapor producido al entrar en contacto con una superficie de menos temperatura se condensa, entregando a dicha superficie el calor con la cual había logrado su vaporización.

CALOR LATENTE.-
Es la cantidad de calor requerida para lograr el cambio de estado físico de una sustancia sin que existan variaciones en su temperatura.


CALOR SENSIBLE.-
Es el calor que produce una elevación de temperatura en un cuerpo.

TRANSMISION DE CALOR.-
Es el flujo de calor a través de un cuerpo de temperatura más alta, hacia un cuerpo de menos temperatura.

La transmisión del calor puede ser por conducción o radiación ó por ambas.

CONDUCCION.-
Es la transmisión del calor entre dos cuerpos o partes de cuerpos en los que existe una diferencia de temperatura.

RADIACION.-
Es la transmisión del calor a través de un cuerpo a algún otro por medio de ondas de calor, las cuales radian a través del cuerpo con mayor temperatura al otro con menor temperatura, sin tomar en cuenta el calentamiento del medio entre ellos.

¿QUÉ ES EL VAPOR?
Vapor es una fase intermedia entre la liquida y la de gas. Los vapores tienen características semejantes a los gases, puesto que llenan por completo los recipientes que los contienen, pero no siguen las leyes de los gases perfectos.

El vapor de agua es un "Transportador de energía térmica" que tiene las siguientes ventajas:

1°- Se produce con agua, la cual es relativamente abundante y barata.
2°- Es limpio y no tiene sabor ni olor.
3°- Por sus propiedades termodinámicas, su control es relativamente sencillo.
4°- Es una de las formas más económicas de transporte de calor ya que su capacidad de transporte de calor por unidad de peso es muy alta.
5°- Entrega su calor a una temperatura constante.
6°- En muchos casos, después de que se ha utilizado su calor, se vuelve a calentar pudiendo usarse varias veces.

VAPORIZACION.-
Es el cambio de un cuerpo de la fase sólida o líquida a la fase de vapor.

EVAPORACION.-
Es la vaporización de un líquido que tiene lugar exclusivamente en la superficie libre del líquido.

EJEMPLO: La evaporación del agua en el mar o en cualquier superficie libre del líquido. La evaporación puede tener lugar a cualquier temperatura del líquido.

EBULLICION.-
Es la vaporización de un líquido que tiene lugar en el seno mismo del líquido. Ejemplo: la ebullición de un recipiente abierto que contenga agua; la ebullición del agua en el interior de una caldera.

La ebullición de un líquido tiene lugar a una temperatura, cuyo valor depende de la presión a que está el líquido; mientras mayor sea está, mayor será aquella.

CONDENSACION.-

Es el cambio de vapor (fase gaseosa) a líquido con una transferencia de calor del vapor a la superficie de condensación.

Los vapores saturados. Son aquéllos que tienen una temperatura igual a la de ebullición (correspondiente a la presión a que está el vapor) y constan únicamente de la fase de vapor.

Un vapor húmedo tiene al mismo tiempo la fase líquida y la fase de vapor. Su temperatura es igual a la de ebullición. Para definirlo se hace necesario dar su presión o su temperatura y su calidad.

La calidad de un vapor húmedo es la relación del peso del fluido que está en la fase vapor y el peso total del fluido.

Los vapores sobrecalentados tienen una temperatura superior a la temperatura de ebullición y en ellos está presente solamente la fase vapor.

Para definir un vapor sobrecalentado hay que indicar su presión y su temperatura o bien su sobrecalentamiento.

El sobrecalentamiento de un vapor es la diferencia entre su temperatura y la temperatura de ebullición correspondiente a su presión.

Un líquido saturado consta solamente de la fase líquida y está a su temperatura de ebullición, Basta la presión o la temperatura para definirlo.

PRESION.-
Es la fuerza ejercida por el fluido en la unidad de superficie de la pared del recipiente que lo contiene o del seno mismo del fluido. Se mide por medio de un manómetro y se expresa en kg/cm2, lbs/plg2, bars, etc.

Los manómetros miden la presión relativa, es decir, la presión arriba de la presión atmosférica. Para obtener la presión absoluta hay que sumar a la lectura del manómetro la presión atmosférica, en el lugar del experimento, la cual se mide con un barómetro. Las tablas y gráficas de vapores se refieren a la presión absoluta.

PRESION ABSOLUTA.-
Es la presión que resulta de la adición de la presión manométrica y la presión atmosférica.

PRESION DE VACIO.-
Si la presión absoluta es menor que la atmosférica, a la lectura manométrica se le llama presión de vacío o vacío.

CAIDA DE PRESION.-
Es la diferencia de presión entre dos puntos, causada por la resistencia a la fricción y condensación en una línea de tubería.

19/1/10

Sustitucion de combustibles

SUSTITUCION DE COMBUSTIBLES.

INTRODUCCIÓN.

En el pasado se ponía poca atención, en general, a la conservación y uso eficiente de la energía, esto debido al costo relativamente bajo del combustible, esta situación ha cambiado. Los costos de la energía seguirán aumentando y dado que han llegado a ser un gasto muy significativo, es necesario mantenerlos a un nivel mínimo.

El combustóleo y el gas natural son los combustibles más utilizados por fapsa a partir de 1999 año en que se incorpora el gas natural. En un principio el uso del gas natural brindaba mayores beneficios ya que aunado a la obtención de una combustión más limpia se contaba con una producción más económica del vapor. A partir del año 2000 el gas natural sufre un incremento en su precio inesperado de aproximadamente 186%, motivo por el cual fapsa decide alternar los combustibles a fin de poder obtener una generación de vapor lo más económicamente posible que le permita ser una empresa altamente competitiva.

Para fines prácticos, una de las ecuaciones más utilizadas para seleccionar el tipo de combustible más factible es:

Generación calorífica = Consumo de combustible x poder calorífico inferior del combustible.

Sin embargo, ésta no toma en cuenta la eficiencia en la generación del vapor ni el uso de aditivos para mejorar la combustión entre otras variables. De ahí surge la necesidad de contar con una metodología automatizada mediante un programa de cómputo que incorpore las variables más importantes para determinar el consumo del combustible seleccionado


JUSTIFICACIÓN.

La importancia y prioridad que el país ha dado al ahorro de energía primaria y eléctrica así como a la mitigación del impacto ambiental han hecho del concepto optimización energética un compromiso nacional de interés económico, ecológico y cultural.

El interés del propietario de una instalación de generación de vapor será mayor en la medida en que lo sean las reducciones en la facturación de combustibles y energía eléctrica, el abatimiento de las emisiones contaminantes y el consumo de agua, la disponibilidad de mayor capacidad de generación y el incremento de la vida útil del equipo instalado.

El presente trabajo pretende ser una vía para enfrentar el encarecimiento en los costos de los energéticos, mismos que se traducirán en beneficios directos para la empresa.

GENERALIDADES.

La industria de la refinación en nuestro país presenta distintos retos, entre los que se encuentra la creciente demanda en los productos derivados del petróleo vinculada al desarrollo económico del país; el compromiso en el cuidado del medio ambiente a través de la elaboración de combustibles cada vez más limpios que logren reducir el número de emisiones contaminantes a la atmósfera.

Según datos de la Secretaría de energía, en el periodo 2006 – 2016 se tendrá una disminución de aproximadamente 210,000 barriles de combustóleo diarios básicamente originado por el desplazamiento de este energético por gas natural.

Por definición un generador de vapor es una serie de dispositivos que aprovechando el poder calorífico de un combustible produce vapor. Por tanto dentro de la caldera se lleva a cabo la quema de un combustible, la cual es una reacción química exotérmica acompañada de un incremento sustancial en la temperatura.

De manera preliminar la apariencia de la flama en el quemador es una buena indicación de las condiciones en que se realiza la combustión en el hogar. Normalmente se utilizan términos como “viva”, “brillante” o de “alta turbulencia” para definir una buena flama con combustibles líquidos como el combustéleo, y una flama “casi invisible, azul en su base y un color tendiendo a salmón” en el resto de la flama es característico en una buena flama con gas natural.

Para realizar un análisis termoeconómico del combustóleo y gas natural utilizado en calderas, y que involucre el mayor número de variables posibles se requiere realizar un programa de cómputo que permita realizar los cálculos de una manera rápida. Las variables que a juicio propio inciden mayormente en el consumo de combustibles son las siguientes:

Tabla.
En la tabla podemos observar que son muy similares los costos al utilizar el programa y la fórmula, sin embargo en el caso del combustóleo el costo de generación del vapor es mayor al utilizar la fórmula ya que ésta está referenciada al consumo de gas natural y al tener éste una menor eficiencia el consumo de combustóleo es mayor, de manera similar pasa con el gas natural pero de manera inversa ya que éste está referenciado al combustóleo.

Gráfica de exceso de aire vs combustóleo.
Aquí podemos observar que el gas natural presenta una pendiente mayor a la del combustóleo por lo que se deduce que el gas se ve más afectado al incrementar el exceso de aire que el combustóleo. Lo anterior se debe a que al incrementar el exceso de aire se aumenta la cantidad de masa de aire existente en el proceso de combustión, misma que se debe llevar hasta la temperatura de combustión, necesitando para ello más energía, que es tomada de la energía liberada por el combustible.

Gráfica Eficiencia vs Temperatura de gases de combustión en la chimenea.
Se observa que existe una disminución de aproximadamente el 1% para el combustóleo y gas natural respectivamente por cada 20ºC de incremento en la temperatura de los gases de combustión en la chimenea, concordando con la “regla de dedo” que dice que se puede incrementar en uno por ciento la eficiencia por cada reducción de 22ºC de los gases en la chimenea. Esta disminución en la eficiencia se debe a que al salir los gases de combustión más calientes aportando la misma cantidad de energía al vapor, llevan consigo más energía, misma que fue suministrada por el combustible.

Gráfica consumo de combustible vs temperatura agua de alimentación.
En ésta se aprecia un decremento en el consumo muy similar tanto para el combustóleo como para el gas natural y se estima en aproximadamente 1.75% por cada 10ºC de aumento en la temperatura del agua de alimentación. Esto se debe a que al llegar el agua con mayor temperatura la diferencia de entalpia entre ésta y el vapor saturado es menor para una misma presión de operación que si ésta llegara a menor temperatura.

Eficiencia vs temperatura agua de alimentación.
Los resultados de esta gráfica son muy interesantes, puesto que si en la gráfica anterior observamos que el consumo de combustible decrece al incrementarse la temperatura del agua de alimentación se esperaría que la eficiencia se incrementase al incrementarse la temperatura del agua, sin embargo permanece casi constante. Se estima que por cada 6ºC de incremento en la temperatura del agua de alimentación se obtiene un incremento del uno por ciento en la eficiencia, sin embargo ese incremento esta determinado por la instalación de un economizador lo que sugiere una disminución en la temperatura de la chimenea, y para nuestro caso ese incremento se lleva a cabo en el deareador que se un dispositivo auxiliar externo a la caldera y no en el economizador.

Los resultados obtenidos los podemos explicar de la siguiente manera:
La eficiencia esta calculada de manera directa, donde el numerador esta formado por el consumo de combustible multiplicado por la diferencia entre la entalpia del vapor a la salida de la caldera y la entalpia del agua de alimentación, por lo que al incrementarse la temperatura del agua de alimentación disminuye el numerador. Por otra parte el denominador esta formado por el consumo de combustible por el poder calorífico superior del mismo, y al incrementarse la temperatura del agua de alimentación disminuye el consumo de combustible, por ende disminuye el denominador, por lo tanto disminuyen tanto el numerador como el denominador lo que hace que la eficiencia prácticamente no se altere.