Resumen

El presente trabajo se desarroll a partir de la investigacin que se realiz del funcionamiento de las calderas pirotubulares para la generacin de trabajo mecnico y elctrico. Se inicia primero con una explicacin breve de los diferentes tipos de calderas que existen y la presentacin de un cuadro comparativo entre las ventajas y desventajas de cada tipo, as como de las partes que las componen para luego pasar a la demostracin matemtica de los fenmenos termodinmicos presentes en el proceso de generacin de vapor por parte de la caldera Palabras clave: Investigacin, Calderas, pirotubulares, termodinmicos

AbstractThe next work was developed based in the research about the operation of Water-tube boiler boilers used in the industry mainly for generation of mechanical and electrical work. It starts first, with a brief explanation about the different types of boilers that exists in the market and through a comparative chart show the advantages and disadvantages for each type, as well as the different parts and components that essentially are present in any boiler and then continue with the mathematical explanation of the thermodynamic principles presents in the process of steam generation by the boiler.Key words: Investigation, Water-tube boilers, Thermodynamic.

Indice de contenidosCAPITULO I51.Introduccin61.1.Objetivos generales y especficos.71.1.1.Objetivo general.71.1.2.Objetivos especficos.71.2.Alcances y limitaciones.81.2.1.Alcances.81.2.2.Limitaciones.8CAPITULO II92.Marco Conceptual.102.1.Teora general sobre las calderas102.2.Tipos de Calderas102.3.Factor de vaporizacin de caldera132.4.Eficiencia de combustin132.5.Eficiencia de caldera132.6.Caractersticas Termodinmicas142.7.Descripcin de la metodologa utilizada.152.7.1.Anlisis matemtico.15CAPITULO III163.Conclusiones y recomendaciones173.1.Conclusiones.173.2.Recomendaciones.17Anexo I18Glosario.18Bibliografa20

INDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustracin 1 Caldera Pirotubular12Ilustracin 2 Vista del Hogar de una caldera Pirotubular.12

INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Cuadro comparativo entre tipos de calderas11

I

II

CAPITULO I

1. Introduccin

1.1. Objetivos generales y especficos.

1.1.1. Objetivo general.

Describir el funcionamiento de las calderas pirotubulares y la variedad de usos que se le dan en la industria.

1.1.2. Objetivos especficos.

Analizar los principios y leyes de la termodinmica presentes en la caldera. Explicar matemticamente los principios y leyes identificados en el objetivo anterior. Realizar una maqueta que demuestre las diferentes partes que componen una caldera.

1.2. Alcances y limitaciones.

Deben ir asociados a los objetivos especficos y pueden realizarse con la Matriz de anlisis y limitaciones.

1.2.1. Alcances.

1.2.2. Limitaciones.

CAPITULO II

2. Marco Conceptual.2.1. Teora general sobre las calderasLa caldera es una mquina o dispositivo de ingeniera diseado para generar vapor saturado. Este vapor se genera a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia su fase.

Una caldera es todo aparato de presin donde el calor procedente de cualquier fuente de energa se transforma en energa utilizable, a travs de un medio de transporte en fase lquida o vapor. (Bonilla, 2009)

La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Adems, es recipiente de presin, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.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: Esterilizacin: era comn encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para esterilizar los instrumentos mdicos, as como tambin en los comedores. Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera donde el vapor es utilizado para calentar petrleos pesados y mejorar su fluidez. Para generar electricidad a travs de un ciclo de Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoelctricas.

2.2. Tipos de CalderasLas calderas se clasifican por su diseo en pirotubulares o acuotubulares. Sin embargo, pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por el tipo de materiales de que estn construidos, por su aplicacin, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presin con que operan o por el fluido portador de calor que emplean. (Bonilla, 2009)Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las ms utilizadas en las centrales termoelctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generacin. (Wikipedia, s.f.)Pirotubulares: El funcionamiento de estas calderas se podra describir de la siguiente manera. Como primer punto el combustible se quema en un hogar, en donde se lleva a cabo la transmisin de calor por radiacin. De la quema del combustible se obtienen gases resultantes los cuales se les hace circular a travs de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conduccin y conveccin. (Wikipedia, s.f.)CriteriosCaldera PirotubularCaldera Acuotubulares

Calidad del agua Menores exigencias, posible funcionamiento con salinidad del aguaMayores exigencias, es necesario un bajo nivel de salinidad para su funcionamiento

Mantenimientofcil de limpiarMs costoso

Revisiones peridicasInspeccin ordinaria, seguida de una prueba hidrosttica, raramente son necesarias otras pruebas de carcter no destructivo, como por ej. as mediciones con ultrasonidos, en caso contrario se efectan en zonas muy reducidasSon necesarias mediciones con ultrasonidos adems de prueba hidrosttica; es decir, pruebas costosas en tiempo y dinero

Costes para niveles comparables de gastos de fabricacin y calidadMenoresMayores

RendimientoMayor, de fcil mantenimientoMenor; es ms difcil realizar su mantenimiento en funcionamiento

Caractersticas de la carga parcialPuede aprovecharse el control del quemador; cuando caiga por debajo de la carga mnima, el quemador puede apagarse sin problemasEn el caso de determinados diseos, debe limitarse la carga parcial; el quemador no puede apagarse manualmente

Contenido de aguaMayor, debido a su diseoMenor

Capacidad de acumulacinDebido al alto volumen de agua, no es susceptible a las fluctuaciones de presin y cargaSusceptible a las fluctuaciones de presin y carga resultantes del proceso

Necesidades de espacioReducidasElevadas

Tiempo necesario para el montaje y puesta en marcha inicialReducidoMs prolongado

Tabla 1 Cuadro comparativo entre tipos de calderas. Fuente: BOSCH

Ilustracin 1 Caldera Pirotubular

Ilustracin 2 Vista del Hogar de una caldera Pirotubular.

2.3. Factor de vaporizacin de calderaEste factor corresponde a la cantidad de calor que debe ser absorbido por un kilogramo de agua lquida alimentada a 100C para convertirse en un kilogramo de vapor de agua a 100C.Factor Vaporizacin = Entalpa vapor a 100 C Entalpa agua lquida a 100 C2.4. Eficiencia de combustinEs una medida de la efectividad en que el calor obtenido a partir de la combustin del combustible se convierte en calor utilizable para la caldera. Esta eficiencia se puede determinar a partir de la temperatura de la chimenea de gases de combustin, as como de la concentracin de la concentracin de oxgeno o dixido de carbono en los mismos, apoyndose en grficas ya calculadas de eficiencia versus temperatura y composicin del oxgeno en los gases de combustin.2.5. Eficiencia de calderaCorresponde al porcentaje o razn de la cantidad de vapor producido en una caldera a partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de una caldera, es la relacin entre la energa absorbida para la evaporacin o generacin de vapor (Q salida) y la suma de energas introducidas al proceso (Q entrada).Q salida / Q entrada = Eficiencia (1)El diferencial entre ambos, es la energa perdida del proceso (calor expulsado a la atmsfera).Q entrada - Q salida = Prdida (2)Una caldera, en trminos genricos, es un intercambiador de calor ya que por un lado se adiciona fuego y gases de combustin y por el otro lado agua que se calienta y evapora. La eficiencia de la caldera, es la eficiencia del proceso de intercambio de calor. (Bonilla, 2009)

2.6. Caractersticas TermodinmicasComo una primera aproximacin, las calderas pueden ser consideradas como isobricas. Las cadas de presin son, de hecho, en general relativamente baja.Cuando la combustin no es estequiomtrica, puede ser caracterizada de varias maneras: ya sea por exceso de aire, que como su nombre lo indica, representa la cantidad de aire en exceso por el factor de lambda del aire, que es el trmino multiplicando el aire en la ecuacin de combustin por la riqueza R, relacin del nmero de moles (o masa) de combustible en una cantidad de mezcla, con el nmero de moles (o masa) de combustible en la mezcla estequiomtrica.Si se considera que la transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo realizado por el sistema son cantidades positivas, las ecuaciones de conservacin de la masa y la energa para procesos de flujo estacionario se expresan de la siguiente manera:Balance de energa.La primera ley de la termodinmica es en esencia una expresin del principio de la conservacin de la energa, conocida tambin como balance de la energa. Los balances generales de masa y energa para cualquier sistema que experimenta cualquier proceso se pueden expresar como:EEntrada ESalida = ESistema (3)Balance de masa.El principio de conservacin de la masa establece que la transferencia neta de masa hacia o desde un sistema durante un proceso es igual al cambio neto (incremento o disminucin) en la masa total del sistema durante ese proceso y se expresa como:mEntrada mSalida = mSistema (4)La funcin de la caldera es para producir vapor por calentamiento de agua. Por lo tanto en la caldera, no hay trabajo hecho y tambin el cambio de energa cintica y potencial puede ser ignorado al ser mnima.Para 1kg de agua; Q1 -2 = m(h2 h1) (5)q1-2 = h2 h1 (6)Prdidas por radiacin y conveccin.Las prdidas relativas de calor en el ambiente es una de las caractersticas de la caldera que debe tenerse en cuenta. Su valor est condicionado por la eficacia del aislamiento del cuerpo de la caldera. En este caso tiene una gran importancia los elementos cuyo coeficiente de transmisin de calor sea bajo, as como su espesor.2.7. Descripcin de la metodologa utilizada.

2.7.1. Anlisis matemtico.El anlisis termodinmico de la caldera est asociado principalmente a su eficiencia en trminos de disipacin de calor, tasas de transferencia de calor, eficiencia del combustible utilizado y calidad del vapor generado.A la hora de analizar los resultados provenientes de dichos modelos, se han de tener en cuenta los siguientes conceptos termodinmicos relativos al primer y segundo principio de la termodinmica: (Mier, 2013) El principio de conservacin de la energa exige que el trabajo neto desarrollado por un ciclo de potencia sea igual al calor neto intercambiado. Del segundo principio de la termodinmica se deduce que el rendimiento trmico, que indica qu cantidad de calor absorbido se transforma en trabajo neto obtenido, debe ser inferior al 100%.

CAPITULO III

3. Conclusiones y recomendaciones3.1. Conclusiones.Las conclusiones deben tener hallazgo, causa y efecto (explicaciones)

3.2. Recomendaciones.Estas deben ir enumeradas

Anexo IGlosario. Agua de alimentacin: es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algn tratamiento qumico como la desmineralizacin. Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. Vapor seco o sobresaturado: Vapor de ptimas condiciones. Vapor hmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada. Condensador: sistema que permite condensar el vapor. Estanque de acumulacin: es el estanque de acumulacin y distribucin de vapor. Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmsfera. Purga de fondo: evacuacin de lodos y concentrado del fondo de la caldera. Purga de superficie: evacuacin de slidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera. Fogn u hogar: alma de combustin del sistema, para buscar una mejora contina de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera. Combustible: material que produce energa calrica al quemarse. Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas caractersticas dependen de los ciclos y del agua de entrada. Ciclos de concentracin: nmero de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentacin. Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere una concentracin de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5. Desoxigenacin: tratamiento qumico que elimina el oxgeno del agua de calderas. Incrustacin: sedimentacin de slidos con formacin de ncleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera. Dispersante: sistema qumico que mantiene los slidos descohesionados ante un evento de incrustacin. Antiincrustante: sistema qumico que les permite a los slidos permanecer incrustantes en solucin. Anticorrosivo: sistema qumico que brinda proteccin por formacin de filmes protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua. ndice de vapor/combustible: ndice de eficiencia de produccin de vapor de la caldera.

BibliografaBonilla, J. (2009). TERMODINMICA DE EQUIPOS INDUSTRIALES: EFICIENCIA ENERGTICA DE UNA CALDERA. Cengel, Y., & Boles, M. (2009). TERMODINMICA (Sptima ed.). Mexico: McGraw-Hill.

Mier, S. (2013). ANLISIS TERMODINMICO Y CLCULO BSICO DE LA CALDERA Y LA TORRE DE REFRIGERACIN DE LA CENTRAL TRMICA DE LA ROBLA GRUPO I. Madrid.

Wikipedia. (s.f.). Caldera (mquina). Recuperado el 22 de Febrero de 2015, de http://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(m%C3%A1quina)