GRUPO IMoises Castillo

Boris del Castillo

Principios fundamentales en calderas

Calor

Puede definirse como la energía que fluye en virtud de una diferencia de temperatura. Cuando dos cuerpos, uno caliente y otro frio, se colocan juntos entre sí sin ninguna barrera aislante entre ellos, el calor fluye hacia el cuerpo frio a causa de la diferencia de temperatura.

La energía calorífica solamente existe cuando se halla en movimiento o fluye, puesto que es energía interna antes de abandonar el cuerpo caliente y es energía interna al entrar al segundo cuerpo.

Calor especifico

El calor específico es la cantidad de calor que absorbe un gramo de un cuerpo para que aumente su temperatura un grado

Tabla de conversión de unidades de energía

Calor latenteEl calor latente es el que sin aumentar la temperatura de un cuerpo produce en él una modificación, por ejemplo el calor latente de vaporización es la cantidad de calor que interviene durante la transformación del líquido a vapor

Utilización del calor en procesos industriales

El calor es necesario en multitud de aplicaciones industriales, para llevar a efecto procesos que requieren aportación de energía, por ejemplo, esterilización, limpieza, calefacción, tratamientos térmicos, accionamiento mecánico, acondicionamiento de materia prima, calentamiento directo o de maquinaria, generación de energía, entre otros

Temperatura La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de

caliente o frío, también se podría definir como un índice de la energía interna relativa de la masa o dicho de otra forma, es el potencial térmico causante del flujo calórico.

Cuanto mayor sea el movimiento de partículas en el fluidos a analizar mayor será su temperatura

Conversión de unidades de temperatura

TRANSFERENCIA DE CALOR

Una caldera es un aparato de transferencia térmica que convierte un combustible (Fósil, bagazo, gas, eléctrica o nuclear) a través de un medio de trabajo. El flujo de calor puede tener lugar de tres modos en el interior de una caldera.

CONDUCCIÓN

Es la transferencia de calor de una parte del material a otra o a un material con el que esta en contacto. El calor se extiende como una actividad molecular, como la vibración de las moléculas de un material. Cuando se calienta esta parte, la vibración molecular aumenta. En las calderas tiene lugar una considerable conductividad superficial. Ejemplo: el agua de un tubo o entre un Gas de un tubo

En base al segundo principio de la termodinámica se puede aseverar que el calor fluye de un cuerpo con mayor temperatura a otro de menor temperatura.

EcuaciónK= constate de conducción térmica

X= Espesor de la zona de transferencia

A= Área de la transferencia de calor

= Flujo de calor a través de la superficie

CONVECCIÓN

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales la evaporación del agua o fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

CONVECCION LIBREEs la que produce circulación del fluido de transferencia debido a una diferencia de densidad resultante de los cambios de temperatura

CONVECCION FORZADA

Tiene lugar cuando la circulación del fluido es provista por algún medio mecánico significativo, como una bomba de agua o un ventilador para los gases. La transferencia de calor de calor por convección, esta pues ayudada mecánicamente.

ECUACION DE LA CONVECCION

DONDE:

h= Coeficiente de convección entre los fluidos

RADIACIÓN

Es una forma continua de intercambio de energía por medio de ondas electromagnéticas sin cambio en la temperatura del medio interpuesto los dos cuerpos. La radiación está presente en todas las calderas. De hecho, las calderas utilizan los tres modos de transferencia térmica: CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN. 

ECUACION DE TRASFERENCIA DE CALOR

La ecuación interpreta la transmisión de calor sumando la convección y la conducción, el coeficiente U depende del tipo de material y engloba al coeficiente de conducción y al coeficiente de convección.

TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA

Propiedades de la materia

Propiedades térmicasAlgunos preguntas a tener en cuenta...

¿Como responden los materiales al calor?•

• ¿Cómo definimos y medimos...--capacidad calorica--coeficiente de expansión térmica--conductividad térmica--resistencia al choque térmico

• ¿como se clasifican los cerámicos, polímerosy metales en base las propiedades térmicas?

1

Capacidad calorífica

2

• General: habilidad de los materialesde absorber calor.

• Cuantitativo: La energía requerida para incrementarla Temperatura de un material.

Energía entrante (J/mol)Capacidad calorifica(J/mol-K) =

Cambio de temperatura (K)

• Dos manera de medir la capacidad calorica:----

Cp

Cv

::

capacidad calorica a presión constante.capacidad calorica a volumen constante.

¿Porque nos interesaría medir la capacidad calórifica de un material?

CdQdT

Capacidad Calorífica Vs. T• La capacidad calórifica...

--aumenta con la temperatura--converge al valor límite 3R

• Desde el punto devista atómico:--Energía es acumululada en vibraciones atómicas.--A medida que aumenta T aumenta la energía promedio

acumulada en forma de vibraciones atómicas

ComoSe Diferencian Cp De Cv

Aumenta

Capacidad Calorífica:

Material

Polimeros Polietileno Polipropileno Poliestireno Teflon Ceramicos

ComparaciónCp (J/kg-K) aT ambiente

2100188013601650

CpMagnesia (MgO)

sosa(Al2O

3)

940840775

VidrioAluminaMetales

de y cal

AluminioAcero Tungsteno Oro

900486142130

4

Expansión Térmica• Los materiales cambian el tamaño cuandoson calentados

L final − L inicial = (T − Tinicial )finalLinicial

coeficiente de expansióntérmica (1/K)

α

Comparaciónα (10 -6 /K)Material

PolymersPolypropylenePolyethylene Polystyrene Teflon

MetalsAluminum

Steel Tungsten Gold

at room T145-180106-198

90-150126-216

23.6124.5

14.2

•

•

• CeramicsMagnesia (MgO) 13.5

7.6

90.4

Alumina (Al 2 O 3 )

Soda-lime glassSilica (cryst. SiO 2 )

incr

easi

ngα

Conductividad Térmica

7

••

General: la abilidadCuantitativo:

Flujo de calor(J/m2-s)

de un material para conducir calor

Gradiente detemperaturaq = −k

Conductividad térmica (J/m-K-s)

T2 > T1T1

x1 x2

• Punto de vista atómico: Vibración atómica en regiones mascon mayor temperatura llevan energía (vibracional) a regionesmás frias.

heat flux

dTdx

ComparaciónMaterialMetales

k (W/m-K)

OroAluminio Tungsteno Acero Ceramicos Magnesia

31524717852

(MgO) 3839

1.71.4

Aumentak

Alumina (Al2O3) Vidrio de sosa y cal

Silica (SiO2)PolimerosPolietileno Teflon Poliestireno Polipropileno

0.46-0.500.250.130.12

Thermal Stress

de tensiones.

• Ocurre debido a:--enfriamiento/calentamiento inhomogéneo--desajuste en expansión térmica.

Ejemplo.--Un cilindro de latón se encuentra a t ambiente (20 C) libre--Se caliente impidiéndole el alargamiento en los extremos.

•

--a que T el estrés llega a -172MPa?

Troom

ΔLLroom ΔL= e = α(T − T )T termico ambienteLambiente

20 x 10-6 /C100GPa

= E( − e termico ) = - αα( − Tambiente )

compressive σ keeps ΔL = 0-172MPa 20CAnswer: 106C

Es

Resistencia AChoque Térmico••

Ocurre debido a: calentamiento enfriamiento inhomogeneo.Ej: Supongamos que una capa fina

es enfriada rápidamente de T1 a T2:

Diferencia de T producida porel enfriamiento:

Tension desarrollada en la superficie

σ = −Eα( T1 − T2 )Diferencia de temperatura crítica para

fractura (para σ = σf)

tasa de enfriamien t=1 2 kigualados

s kf(tasa de enf . )para fractura µ•

•

Resultado: E α

Alta resistencia al choque térmico cuandoσ f k es grande.Eα

(T − T)

s f=1 2 fractura E α(T − T)

• Alterar la condiciones externas = minimizargradientes de temperatura

• Modificar características térmicas y mecánicas en

σ kfTSR =

Eα 1

• Eliminando tensiones térmicas, aumentando así la(σ ) aresistencia a la tracción partir de unf

tratamiento térmico de recocido.

Medidas para la reducción de CT y aumento de TSR en cerámicos

•

•

Re-entry TDistribution

SistemaAplicación:

de protección térmico

reinf C-C silica tiles nylon felt, silicon rubber(1650°C) (400-1260°C) coating (400°C)

Azulejos de--aplicaciones

silica (400-1260C):de larga escala --microestructura:

~90% porosidad!Fibras de Si enlazadas durante tratamiento térmico

100 μm11

ResumenUn material responde al calor a partir de:--aumento de la energía vibracional--redistribución de la energía para llegar a un equilibrio térmico.

Capacidad calorífica:--energía requerida para aumentar la una unidad de T una unidad--los polímeros tiene los valores mas altos.

Coeficiente de expansión térmica:--esfuerzo libre de tensiones inducido por una unidad de TT.--los polímeros tienen los valores mas altos.

Conductividad térmica:--habilidad de los materiales para transferir calor.--los metales tiene los valores mas altos.

Resistencia al choque térmico:

•

•de masa.

•

•

•--habilidad de los materiales de ser enfriados/calentados

Maximizar σfk/Eα .sin sufrir fisuras.

12

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN ALEACIONES

Conductividad térmica de materiales cerámicos

Características de los fluidos

Presión de vapor. -

es la presión para la cual una determinada temperatura el liquido cambia de estado

Temperatura de saturación.-

Es la temperatura para la cual a una determinada presión el liquido cambia de estado

CALDERAS

CALDERAS

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.

Caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

Aplicaciones

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:

Esterilización (tindalización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico.

Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petróleos pesados y mejorar su fluidez.

Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

PARTES PRINCIPALES DE UNA CALDERA

Hogar de la caldera Es el espacio donde se quema el combustible. Se le conoce

también con el nombre de "Cámara de Combustión". Los hogares se pueden clasificar en:

a) Según su ubicación.-

Hogar exterior

Hogar interior

b) Según tipo de combustible.-

Hogar para combustible sólido

Hogar para combustible liquido

Hogar para combustible gaseoso

c) Según construcción. -

Hogar liso

Hogar corrugado

Parrillas ( o emparrillado) Son piezas metálicas en forma de rejas, que van en el interior del

hogar y que sirven de soporte al combustible sólido; permiten el paso del "aire primario" que sirve para que se produzca la combustión.

a) Las parrillas deben adaptarse al combustible y deben cumplir los siguientes requisitos:

Deben permitir convenientemente el paso del aire

Deben permitir que caiga la ceniza

Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez

Deben impedir que se junte escoria

Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se quemen o deformen.

Deben ser durables.

Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarla y evitar recalentamientos.

Parrillas ( o emparrillado)b) Tipos de Parrillas.-

Según su instalación.-

Fijas o Estacionarias.- Son aquellas que no se mueven durante el trabajo.

Móviles o Rotativas.- Son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible

Según su posición.

Horizontales

Inclinadas

Escalonadas

Cenicero

Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta.

Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión,

En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua.

Puerta del cenicero

Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar.

Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar, se recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objetivo de evitar el retroceso de la llama ("lengua de toro").

Puerta del Hogar Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente

en su interior con refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego. En calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta es reemplazada por el quemador.

Altar Es un pequeño muro de ladrillo refractario, ubicado en el

hogar, en el extremo opuesto a la puerta del fogón y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm.

Los objetivos del altar son:

Impedir que caigan de la parrilla residuos o partículas de combustibles.

Ofrecer resistencia a las llamas y gases para que estos se distribuyan en forma pareja a lo ancho de la parrilla y se logre en esta forma una combustión completa.

Poner resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia la chimenea. Con esto se logra que entreguen todo su calor y salgan a la temperatura adecuada.

Mampostería Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes

que tienen como objeto:

Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor y Guiar los gases y humos calientes en su recorrido

Para mejorar la aislación de la mampostería se dispone a veces en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan el paso del calor.

En algunos tipos de calderas, se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente aislación térmica en el cuerpo principal y cajas de humos.

Para este objeto se utilizan materiales aislantes tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas y asbestos.

Conductos de humo

Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la combustión. De esta forma se aprovecha el color entregado por éstos para calentar el agua y/o producir vapor.

Caja de humo

Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases, después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.

Chimenea

Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera. Además tiene como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión.

Regulador de tiro o templador

Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma y que tiene por objeto dar mayor o menor paso a la salida de los gases y humos de la combustión.

Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar ( al abrir ) o disminuir ( al cerrar) el caudal.

Generalmente se usa en combinación con la puerta del cenicero

Tapas de registro o puertas de inspección

Son aberturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos, dependiendo de su tamaño:

Las puertas hombre (manhole)

Las tapas de registro (handhole)

La puerta hombre por sus dimensiones permite el paso de un hombre al interior de la caldera.

Las tapas de registro por ser de menor tamaño sólo permiten el paso de un brazo.

Puertas de explosión

Son puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión.

Cámara de agua

Es el espacio o volumen de la caldera ocupado por el agua.

Tiene un nivel superior máximo y uno inferior mínimo bajo el cual, el agua, nunca debe descender durante el funcionamiento de la caldera.

Cámara de vapor Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se

almacena el vapor generado por la caldera.

Mientras más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara.

En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua que lleva en suspensión.

Es por esta razón algunas calderas tienen un pequeño cilindro en la parte superior de esta cámara, llamado " domo" y que contribuye a mejorar la calidad del vapor.

Cámara de alimentación de agua

Es el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua.

Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupada por vapor y/o agua, según sea donde se encuentre el nivel de agua.

Magnitudes utilizadas en calderas

Magnitudes y unidades en las calderas

Potencia Térmica (BTU/hora, Kcal/hora)

Capacidad Calorifica (KJ/kgCº)

Potencia útil (KW,HP)

Presión de Vapor (Kg/cm2, Psi)

Perdida de Vapor (kg/hr, lb/hr)

Salida de Calor (KW,HP)

Energía Consumida (KW,HP)

Capacidad total de la Caldera (dm3)

Presión de Trabajo min y max(bar)

Rendimiento de carga total (%)

Rendimiento de carga Parcial (%)

Máximo Rendimiento (KW)

Eficiencia (%)

Contenido de Oxigeno (% en volumen)

Capacidad total de la caldera (Litros)

Temperatura de Vapor (Cº)

Composición (% en mol/% en peso)

Caudal de Gases de Combustion (kg/h)

Bibliografía

Calderas Wikipedia

Transferencia de masa y calor Yunus Cengel

Tesis de grado sobre calderas, generación y tratamiento de agua en procesos industriales ELIUD MISSAEL GODOS FONSECA