CAPITULO 2. CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR.Objetivo: El alumno conocerá las características que determinan y diferencian a cadatipo de generadores de vapor.2.1. Clasificación.2.2. Componentes de los generadores de vapor.2.3. Dispositivos auxiliares.2.3.1. Sistema de agua de alimentación.2.3.2. Sistema de combustible.2.3.3. Sistema de control de presión.2.3.4. Otros sistemas de control en los generadores de vapor.2.4. Conceptos y relaciones fundamentales en una caldera de vapor.2.4.1. Superficie de calefacción.2.4.2. Capacidad de producción.2.4.3. Calor liberado en el horno.2.4.4. Calor transmitido al fluido, en los diferentes componentes: economizador, sobrecalentador, etc.2.4.5. Rendimiento.2.4.6. Porcentaje de carga.2.5. Balance térmico de un generador de vapor.2.6. Problemas ilustrativos. 

CAPITULO II.- CLASIFICACION DE LOS GENERADORES DE VAPOR Generador de vapor:  Es la serie de dispositivos que aprovechando el poder calorífico de un combustible producen vapor. Un generador esta compuesto básicamente por cuatro transmisores de calor que son: la caldera propiamente con su hogar, el precaletador de aire, el economizador y el sobrecalentador.Las calderas de vapor se clasifican de acuerdo a la posición relativa de los gases calientes con respecto del agua, en acuotubulares y pirotubulares; por la posición de los tubos (horizontales, verticales e inclinados), por  la forma de los tubos (rectos o curvados).  La elección de una caldera para un servicio determinado depende del combustible de que se disponga, tipo de servicio, capacidad de producción de vapor requerida. Calderas pirotubulares: En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua. Las calderas pirotubulares generalmente tienen un hogar integral limitados por superficies rodeadas de agua.  En la actualidad las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral se utilizan en instalaciones  de calefacción de baja presión, y

algunos tipos más grandes para producir vapor a presión relativamente baja destinado a calefacción y a producción de energía.El cuerpo de  la caldera, esta formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y de acumulación de vapor.La acumulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos. El acceso al cuerpo por el lado de los gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de los gases.  El acceso por el lado del agua se realiza a través de registros de mano y registros de hombre (en el caso de generadores de dimensiones mayores).Las calderas tipo paquete se construyen con capacidades que van de los 15 a los 800 c.c. para producir vapor con presiones de 1.05 a 31.6 kg/cm2 (15 a 450 lb/plg2). Calderas acuotubulares:  En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa el agua o vapor, los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquellos, en contraste con el tipo tubular. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son de tracción en vez de compresión, como  ocurre en los pirotubos. Las calderas acuotubulares eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.            A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

 Calderas acuotubulares verticales.Las calderas de vapor verticales acuotubulares marca OLMAR, están formadas por un tubo de gran diámetro en su interior al que se acoplan una serie de colectores por los que circula el agua.Este tipo de calderas permiten una muy fácil accesibilidad a su interior y están especialmente diseñadas para pequeñas industrias tales como tintorerías, lavanderías, lácteos, panaderías.  

Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que varían desde la obtención de 70 Kg/h hasta 1.200 Kg/h y a unas presiones comprendidas entre 2 y 14 Kg/cm2. Se utilizan distintos tipos de combustibles, pero no solo los líquidos, sino que las calderas verticales OLMAR, permiten la construcción de hogares especiales para combustibles sólidos, tales como orujillo, madera, e incluso en algunos casos se fabrican con hogares mixtos para combustibles solidos-liquidos.

  Ventajas:• La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.• Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.• Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".• La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.

• El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

 ACCESORIOS DE UNA CALDERA DE VAPOR

             Los accesorios que generalmente llevan las calderas son: válvulas de seguridad, manómetro, columna de nivel de agua, regulador de agua de alimentación, tapones fusibles, purgadores y aparatos de control. Válvulas de seguridad.    Se emplean para impedir que en las calderas se desarrollen presiones de vapor excesivas, abriéndose  automáticamente a una presión determinada y dejando escapar el vapor.  En las válvulas de seguridad la presión de la caldera es vencida por un muelle, cuya tensión se puede ajustar por la parte superior. Un a palanca permite accionar la válvula con la mano.            Toda caldera debe tener  por lo menos una válvula de seguridad cuando la superficie de calefacción sea menor de 50 m2 o cuando la capacidad evaporativa no exceda de 1000 kg de vapor por hora.  Cuando su superficie de calefacción o capacidad evaporativa se exceda de los valores indicados deberá tener dos o más válvulas.             Las válvulas de seguridad deberán ser del tipo de resorte, de abertura y cierre instantáneos que cumplan con los requisitos establecidos en las normas.            La instalación de las válvulas de seguridad en las calderas deberá llenar los requisitos siguientes:

        Estar colocadas en la parte superior y lo más cercana posible a la caldera.

        Conectarse a la caldera fuera de cualquier otra salida de vapor sin el uso de tubería o conexiones innecesarias.

        No se instalarán válvulas de ningún tipo entre las válvulas de seguridad  y la caldera.

        Los tubos de descarga de las válvulas de seguridad deberán tener un diámetro igual a la conexión de descarga de la válvula.

 

  Las válvulas de seguridad, se clasifican básicamente en: 

        Válvula de alivio, la cual se abre proporcionalmente en respuesta al incremento de presión que se presente corriente arriba de ella.  Este tipo de válvula se utiliza para líquidos.

        Válvula de seguridad propiamente dicha, caracterizada por abrir completamente en forma rápida.  Este tipo de válvula se emplean para vapor o aire.

 Se debe tener mucho cuidado con la calibración de cualquiera de los dos tipos de válvula, ya que una presión de ajuste arriba de la necesaria permitirá, en un momento dado, que la caldera trabaje a presión mayor que la debida, con los consiguientes  riesgos operacionales, en tanto que, una presión de ajuste inferior a la requerida ocasionaría que las válvulas se abrieran con demasiada frecuencia, ocasionando desperdicios de energía. 

Manómetro.  Los manómetros nos permiten tomar las lecturas de la presión interna de la caldera.  Todas las calderas deberán tener cuando menos un manómetro conectado a la cámara de vapor, colocado de tal manera que esté exento de vibraciones, pueda ser convenientemente ajustado y ofrezca una visión clara y despejada.

   Columna  de nivel de agua.  Se montan  en la parte lateral del cuerpo cilíndrico da la caldera.  La parte alta del nivel de agua se pon en comunicación con la cámara de vapor del cuerpo cilíndrico de la caldera, y el otro extremo, con la de agua.  Las columnas de nivel forman parte de un control automático de alimentación de agua.            Todas las calderas deberán tener tres o más grifos de prueba para comprobación del nivel de agua, colocados a niveles visibles  comprendidos entre los extremos visibles del cristal de nivel.  

     A.-nivel superior de agua: 57 mm. (2-1/4”) arriba de la tuerca inferior. la bomba de alimentación de agua. para en este punto inicialmente llénese hasta este punto.

     B.- nivel inferior de agua: 44 mm. (1-3/4) arriba de la tuerca inferior. La bomba de alimentación de agua arranca en este punto hasta restablecer el nivel de agua a 57 mm. (24/4”).

     C.- corte por bajo nivel: 32 mm. (1.1/4’) arriba de la tuerca inferior. El quemador se debe apagar al llegar el nivel de agua en este punto.

 Regulador de agua de alimentación.  Suministran automáticamente a la caldera la misma cantidad de agua que se transforma en vapor y, como consecuencia, mantener casi constante el nivel de agua.  Todos suelen trabajar, por lo regular, en combinación con dispositivos de control montados en las bombas de alimentación. Tapones fusibles.  Las calderas (especialmente las pirotubulares) que trabajan a una presión relativa inferior a 16 kg/cm2 están, por lo regular, protegidas por tapones fusibles.  Estos consisten en manguitos de acero o bronce rellenados de una aleación de estaño que funde aproximadamente a 232º C, y se insertan en el cuerpo cilíndrico de la caldera a la altura del nivel del agua mínimo permisible.  El punto de fusión del estaño es superior a la temperatura del vapor, e inferior a la temperatura de los gases

calientes. El extremo pequeño del tapón esta en contacto con los productos de la combustión; cuando el nivel de agua es lo suficientemente bajo para dejar descubierto el tapón, la aleación se funde y el vapor se escapa por el agujero.  De esta forma se impide que la presión de la caldera se haga excesiva, y, por otra parte, el escape del vapor atrae la atención del vigilante y pueden adoptarse las medidas oportunas para evitar que se recaliente el metal de la caldera.

 Purgas.  Van en la parte más baja de la caldera y algunas veces

también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los lodos, sedimentos y espumas.  Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente.  En ocasiones se emplea un purgado (por el fondo) continuo, por medio de un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida que se precipitan.  No obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay que abrirlos de vez en cuando para sacar más completamente los lodos acumulados.

 Quemador.  Un quemador industrial de cualquier tipo, el quemador

de una estufa o de un calentador de agua domestico, solamente son medios para quemar económicamente los combustibles y su diseño es una consecuencia de los principios fundamentales de una combustión.  Industrialmente hablando, se entiende por combustión la combinación violenta, con desprendimiento sensible de calor y  luz, del oxigeno del aire con el carbono, hidrógeno y azufre, que constituyen los elementos activos de los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Deben  tomarse en cuenta hechos importantes:1.      Para poderse quemar, toda sustancia combustible debe estar en

estado gaseoso.2.      Debe estar presente el elemento oxigeno, mezclado con el gas

combustible en  PROPORCION ADECUADA.3.      Debe disponerse de una fuente de calor externa de intensidad y

cantidad adecuados para poder iniciar el proceso de combustión.

            Algunos de los componentes de un quemador son:        Bomba de alimentación de combustible        Electrodos de ignición        Boquilla o espera        Ventilador de tiro forzado        Válvula de regulación automática de combustible

                   

Calentadores de aire.  Los calentadores de aire tienen dos importantísimas funciones: enfriar los gases antes de entrar a la atmósfera y por lo tanto incrementar la eficiencia en el quemado de combustible, y al mismo tiempo incrementan la temperatura del aire para la combustión. Dependiendo de la presión y temperatura del ciclo, el tipo de combustible, y el tipo de caldera, una de las funciones tendrá mayor importancia.         En el caso de quemado de combustibles sólidos con un alto contenido de humedad (como la madera, el bagazo, etc.) el uso del calentador de aire es sumamente importante para tener una buena combustión y un buen funcionamiento del sistema de quemado.         Los calentadores de aire reducen la temperatura de los gases de combustión desde los rangos de 600  a  800 °F hasta rangos de 275 a 350 °F.  En estas unidades el aire es calentado desde temperatura ambiente (80 °F) hasta temperaturas entre 500 a 750 °F, dependiendo del poder calorífico del combustible y el contenido de humedad.

         Los calentadores de aire pueden ser de los tipos de convección y regenerativos.  El tipo de convección se subdivide en tubular y de placa.  LA siguiente figura representa una vista del calentador de aire tubular, en el cual se establece el principio de contracorriente.  Los gases calientes entran en los tubos por la parte alta y salen por le fondo.  El aire frío entra por la parte derecha del fondo, fluye lamiendo la superficie externa de los tubos y sale tal como aparece en la figura.         Un calentador de aire tipo regenerativo se presenta en la siguiente  figura.   Consiste en un laberinto metálico en forma de tambor que gira lentamente, de manera que alternativamente es calentado por los gases y enfriado por el aire.  Los gases que van a la chimenea fluyen en sentido ascendente a través de la mitad del laberinto, y el aire inyectado por un ventilador desciende a

través de la otra mitad.  Una junta divisoria evita todo lo posible que el aire y los gases se mezclen.

           Economizadores.  Los economizadores ayudan a mejorar la eficiencia extrayendo el calor de los productos de combustión. En el economizador, el calor es transferido al agua de  alimentación, la cual entra a una temperatura apreciablemente menor que la del vapor saturado.  Generalmente los economizadores son diseñados para operar en contra flujo, con el sentido de flujo de los gases hacia abajo y el del agua hacia arriba.           Recalentadores.   Los recalentadores son simples intercambiadores de calor destinados a comunicar energía adicional al vapor además de la que posee en el estado de saturación a una presión dada.  Las calderas modernas de alta presión suministran vapor recalentado  a temperaturas del orden de 621 °C (1150 °F).  Los recalentadores que toman su energía de los gases de la chimenea se denominan de convección  y los que quedan expuestos a la energía radiante de las llamas se conocen con el nombre de recalentadores de radiación.         Los recalentadores de convección tienen más rendimiento al aumentar la producción de la caldera; en los recalentadores de radiación sucede lo contrario.         Los recalentadores propiamente dichos tienen el objeto de llevar vapor parcialmente expansionado a la temperatura de recalentamiento haciéndolo pasar

por el interior de tubos colocados a través de la corriente de los gases.   La siguiente figura muestra un recalentador de esta clase montado entre los recalentadores primario y secundario y equipado con un atemperador  del tipo de pulverización, instalado por encima del recalentador.           Saturadores.  En muchos procesos industriales se necesita disponer de vapor saturado en lugar de vapor recalentado.  Si en tales industria se necesita también disponer de energía, la cual puede ser generada más económicamente mediante vapor recalentado, será preciso producir  a la vez vapor recalentado y vapor saturado.  Las centrales industriales modernas recalientan el vapor y se sirven de aparatos denominados saturadorespara quitar el recalentamiento de la posición del vapor requerida por los aparatos y procesos.         Los saturadores pueden ser del tipo  pulverizador y del tipo de superficie. En los primeros se quita el recalentamiento inyectando agua de alimentación de la caldera (figura).  En los segundos, mediante un intercambiador de calor, en el cual el agua y el vapor no se mezclan.  Cada uno tiene una regulación automática.         

  

OTROS DISPOSITIVOS AUXILIARES SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN.  Uno de los factores principales para la operación óptima de una caldera es el de contar con un sistema de suministro de agua el cual sea adecuado para cada caso en particular. Esto es debido a que es indispensable mantener un nivel de agua constante en el interior de la caldera para que no ocurra un siniestro o falla de alguna de sus partes.         Todo sistema efectivo de alimentación  de agua a calderas debe contar con:

         Reserva mínima de agua (tanque de almacenamiento)

         Equipo de bombeo         Control de sistema

 Reserva mínima.         La cantidad de agua que se alimenta a una caldera es prácticamente la cantidad de vapor que se produce, por lo tanto la reserva de agua necesaria va en proporción a la capacidad de la caldera.         Un criterio recomendable para obtener la cantidad de agua de reserva y la capacidad del tanque es el de almacenar  una cantidad mínima de agua suficiente para sostener la evaporación de la caldera por lo menos durante 20 minutos.Ejemplo.  Determinar la reserva mínima de agua necesaria para el funcionamiento de una caldera de 100 c.c de capacidad.         Para satisfacer la demanda de agua de un caballo caldera durante un minuto, se requieren 0.261 litros (0.069 galones ).  De lo anterior, una caldera de 100 caballos evaporará 26.1 litros/min.         Si la reserva debe satisfacer la evaporación de una caldera durante 20 minutos, entonces la reserva total mínima será de                                                           26.1 lts/min  x  20 min.  = 522 litros de agua          El tanque de almacenamiento no deberá ser ahogado en ningún momento, por lo tanto, el volumen total de éste debe ser:

=     = 746 litros 

         Esto es con la finalidad de dejar libre el 30 % del volumen del tanque.         En la mayoría de los casos para cumplir con el almacenamiento de agua adecuado se utiliza un recipiente el cual además de mantener la reserva mínima de agua, sirve también para recibir los retornos de condensados de alta y baja presión (si los hay) y el cual se denomina tanque de condensados.         El agua de alimentación de las calderas debe estar a la temperatura más alta disponible para evitar problemas de dilatación, contracciones y choques térmicos dentro de la caldera, de aquí la conveniencia de utilizar el mismo tanque para almacenar la reserva mínima y recibir los retornos de condensados lográndose con esto elevar la temperatura del agua de repuesto necesaria.         En ciertos casos en los que el agua de alimentación disponible y las condiciones que se requieren para ésta hacen necesario la desaereación, entonces el tanque de condensados común es sustituido por un desaereador.         Un desaereador es parte de un equipo diseñado primariamente para la remoción del aire y gases corrosivos (oxigeno y bióxido de carbono) presentes en el agua de alimentación y para el precalentamiento de la misma antes de

entregarla dentro de la caldera.  Quedando así ampliamente protegida la caldera y el equipo auxiliar conectado a ella.         En conclusión podemos decir que para contar con la reserva mínima de aguad e alimentación es necesario tener un tanque de condensados, un desaereador o un sistema con la combinación de ambos.

 Fig 2.3 arreglo típico del tanque de condensados con tapas planas y bomba de agua de alimentaciónEquipo de bombeo y control del sistema.          Existen cinco criterios de diseño que deben ser considerados antes de que una bomba de alimentación de agua sea seleccionada:

1.      Operación continua o intermitente2.      Temperatura del agua manejada inicialmente

3.      Capacidad4.      Presión de descarga5.      Carga neta de succión positiva requerida 

         1.-   La primera consideración que hará tomar una decisión es determinar si la bomba va a funcionar de forma continua o intermitente; esta consideración depende de una serie de factores tales como, el tipo de servicio de la caldera, tubos de agua o tubos de fuego, marca, etc.          En la mayoría de los casos de aplicación de bombas de alimentación de agua en calderas de tubos de fuego, éstas están dentro de un ciclo de operación intermitente, mientras que, para calderas de tubos de agua el ciclo de trabajo para las bombas de alimentación es continua.         Las calderas con tubos de fuego son usualmente proporcionadas con un flotador sobre el cual actúa un switch, el cual para y arranca la bomba de alimentación entre cierto nivel.  En este caso la línea de descarga a través de la bomba de alimentación debe dirigirse directamente a la caldera sin restricciones en esta línea.         Las calderas de tubos de agua son usualmente proporcionadas con un tipo de regulador de agua de alimentación  el cual “modula” la cantidad de agua alimentada a la caldera entre ciertos niveles predeterminados, en este caso la bomba trabajará continuamente y ésta operará entre sus rangos de mínima y máxima capacidad.         Cuando la caldera de tubos de fuego es proporcionada con algún tipo de válvula motorizada en la línea de alimentación, la bomba  de alimentación puede ser seleccionada para operar intermitente o continua dependiendo de las especificaciones.  Es improbable que una caldera de tubos de agua sea proporcionada con un simple switch para operación intermitente de la bomba de alimentación de agua.         Es importante saber  si la bomba opera  en forma intermitente o continua, debido a que la capacidad, presión de descarga y tipo de bomba seleccionada dependerá de esta consideración.          Existen dos tipos de bombas disponibles por seleccionar, éstas son:

        Bomba tipo turbina        Bomba tipo centrífuga

         Como una regla general la bomba tipo turbina es frecuentemente seleccionada para operación intermitente y la bomba centrífuga para operación continua.  

            2.-  La temperatura del agua inicialmente manejada por la bomba es también un criterio importante en la selección de ella, usualmente están disponibles bombas estándar con rangos de temperatura entre aproximadamente  100 °C (212 °F) a 104 °C (220 °F), mientras que otras bombas están disponibles para temperaturas hasta de 121 °C (250 °F) o mayores con enfriamiento externo.  Si la temperatura es mayor de 121 °C será necesario consultar al fabricante.              3.- Todas las bombas tipo turbina tienen que ser seleccionadas para una capacidad de 1.5 o 2.0 veces la capacidad de evaporación de la caldera para la que se va a utilizar, a menos que las especificaciones requieran valores más altos.            Las bombas centrífugas (operación continua) deben ser seleccionadas sobre la base de 1.10 a 1.15 veces la capacidad de evaporación de la caldera.  Aumentar este factor  una determinada cantidad de litros (dependiendo de la bomba  y el tamaño del motor seleccionado) requeridos para el orificio del by-pass.  

4.-  La presión de descarga de la bomba es otro principio el cual requiere cuidadosa consideración.   Si la tubería en la línea de descarga de la bomba esta conectada directamente a la caldera (sin válvula motorizada o regulador de agua en ésta línea) solamente es necesario considerar la presión de operación de la caldera y las pérdidas a través de la línea para determinar la presión de descarga en la bomba.            Se debe tener la seguridad de que la presión de descarga seleccionada es siempre mayor que la presión de operación de la caldera. Generalmente  de 0.35 a 1.76 kg/cm2 (5 a 25 lb/plg2) por arriba de la presión de operación de la caldera es una buena consideración.            Prácticamente todas las calderas con tubos de agua están equipadas con reguladores de agua de alimentación, por lo tanto la selección de la presión de descarga de la bomba centrifuga debe ser hecha sobre la base de aumentar 1.76 ó 2.11 kg/cm2 (25 ó 30 lb/plg2) a la presión de operación de la caldera, quedando también consideradas las pérdidas a través de la línea dentro de este incremento.  

5.-   El quinto criterio  para la correcta selección de una bomba es la  carga neta de succión positiva (NPSH). Cada diseño de bomba tiene un cierto requerimiento de MPS.

            Esta es la cantidad de líquido en cm. (pies) que deberá ser presentada en la succión de la bomba para prevenir la cavitación y para proporcionar una adecuada operación.            Es recomendable hacer una selección que tenga los más bajos requerimientos de MPS posibles.            Usualmente una selección con un requerimiento bajo de MPS, establece una bomba grande y consecuentemente un motor de gran capacidad. Sin embargo hablando generalmente, es más importante mantener la altura total a un mínimo tal, que seleccionar una bomba con un elevado NPSH.  

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE 

Abastecimiento de combustible. El almacenamiento de combustible líquido, generalmente se hace en tanques cilíndricos, los cuales están al nivel del piso o por debajo de él.

Los tanques deben contar con registros pasa-hombre para limpieza y mantenimiento, así como también con los coples necesarios para llenado, ventilación, medición, extracción, retorno y purga.  Cuando los tanques son subterráneos, es conveniente acondicionar el lugar para inspecciones periódicas.

 Los diámetros de la línea de succión y retorno, juegan un papel muy  importante en la vida de la bomba de combustible, pues de ellas dependen las restricciones que se le impongan a la bomba de combustible.

 Cálculo de la línea de combustible de petróleo pesado.   Las

dimensiones de las líneas de combustible son de gran importancia para el buen funcionamiento de una caldera.  Se debe tener particular cuidado en las dimensiones de la línea de succión desde el tanque de almacenamiento a la bomba; la ubicación adecuada de la bomba de combustible, así como también la determinación de un vacío de succión (pulgadas de mercurio), dentro de límites aceptables.            La succión que será impuesta a la bomba es causada por:

1.      La elevación vertical del tanque a la bomba2.      La caída de presión a través de las válvulas, coladeras, conexiones,

etc. en la línea de succión.3.      Las perdidas por fricción debidas al flujo de combustible a través

de la tubería de succión. Estas perdidas varían de acuerdo a:        La temperatura de bombeo del combustible, el cual

determina la viscosidad del mismo.        La cantidad de combustible bombeado (GPH)        La cantidad total de la línea de succión (pies)

        Diámetro de la línea de succión. Dos sugerencias importantes:

1.      La succión impuesta a la bomba debe ser de 17 pulgadas de mercurio o menos a la línea central de la bomba de combustible (cuando la bomba esta integrada a la caldera).

2.      La viscosidad del combustible deberá ser de 4000 S.S.U. por lo menos.

 Si bien, ciertos tipos de bombas  para aceite pesado son capaces de

desarrollar grandes vacíos, no es práctico que operen por encima de 17 pulgadas de mercurio. Si el vacío es mayor, el combustible puede vaporizarse y causar problemas de bombeo.  El punto al cual esto ocurre, depende de las características particulares del combustible.  Un vacío máximo de mercurio propiciará también:

        Desgaste de la  bomba. El cual deberá ser considerado cuando bombeo aceite pesado.

        La posibilidad de la disminución de la temperatura de bombeo de la que resultará un incremento en la viscosidad (mayor que 4000 S.S.U.)

        Algunas fallas en los filtros de succión. 

La curva temperatura.-  viscosidad para petróleo pesado (la curva I SAC), ilustra la temperatura a la cual el combustible deberá ser calentado para obtener la viscosidad de 4000 S.S.U.

Los combustibles más pesados, deberán ser calentados hasta alcanzar una condición bombeable.

El grado más pesado del combustible No. 6 (línea A-B de la gráfica  viscosidad-temperatura), deberá ser calentado a 115º F, para que alcance una viscosidad de 4000 S.S.U.

Pueden ser usadas para la mayoría de sistemas, las dimensiones de la línea de succión recomendadas en la tabla No. 2.

 Para sistemas con condiciones diferentes a 10 pies de elevación y 100

pies de línea de succión, usar el siguiente procedimiento: I.- Altura de succión.   Para  obtener la altura de succión es necesario:Determinar la distancia vertical (pies) desde el fondo de la tubería de

succión al centro de la bomba (bomba remota no integrada a la caldera).  Y a partir de la gráfica No. 3 obtener la elevación en pulgadas de mercurio equivalente.

 II.- Caída de presión a través de válvulas, tuberías, conexiones,

etc.   Esta es una condición variable para cada sistema.Una  consideración segura es la de fijar 2 pulgadas de mercurio debidas a

estas pérdidas. Para obtener la elevación de succión total sume la altura de succión obtenida en el inciso I, y la altura considerada por estas pérdidas. Reste el valor de la elevación total al valor de la altura de succión permisible para estos casos (17 plg. de mercurio). Siendo el resultado obtenido de esta diferencia el dato utilizable para determinar las dimensiones de la línea de succión.

 III.- Caída  de presión a través de la línea de succión.  A partir de la

tabla No. 1, y de acuerdo a la capacidad de la caldera (CC) obtenga la capacidad de la bomba (GPH). (si existen dos calderas  con una línea de succión común determine el total de GPH a través de la línea).

Finalmente, de acuerdo a la gráfica No. 4 determine la dimensión de la línea de succión, la cual deberá resultar con una caída de presión (pulgadas de mercurio), igual a, o menor que el valor final obtenido en el inciso II.

  

 EJEMPLO. determine la dimensión de la línea de combustible de una

caldera modelo CB de 300 caballos caldera, utilizando petróleo pesado como combustible.

Elevación vertical a la línea central de la bomba 11 pies.Longitud de la línea de succión a partir del inicio de la tubería de succión a

la conexión de la bomba 110 pies.      SOLUCIÓN:1.-  A partir de la tabla No. 1 obtener la siguiente información.

La bomba no esta integrada a la caldera.La capacidad de la bomba necesaria es de 270 GPH.Máxima succión a la línea central de la bomba, 17 pulgadas de mercurio.

De acuerdo a la gráfica No. 3, una elevación de 11 pies representa 9.4 pulgadas de mercurio.

2.-  Si consideramos 2 pulgadas de mercurio debido a pérdidas en válvulas, filtros y conexiones, etc., se tendrá un total de 11.4 pulgadas de mercurio. Y si para este caso tenemos una altura máxima de succión permisible de 17 pulgadas.

La diferencia entre estos dos valores es:17 – 11.4 = 5.6 pulgadas de mercurio. 3.-  Con  la ayuda de la gráfica No. 4, de acuerdo al flujo de  combustible

que se va a manejar (en este caso 270 GPH). Tenemos que si utilizamos una tubería de 3 pulgadas se tendrá una caída de presión de 2.5 pulgadas de mercurio por 100 pies de tubería y la caída

 total para la longitud de 110 pies es de:            x 110 / 100 = 2.8  pulgadas de mercurio.El valor de la caída obtenida debe ser igual o menor a la diferencia  obtenida en el inciso No. 2. Para  este caso vemos que 2.8 pulgadas de mercurio es menor  que el valor de la diferencia  del inciso No. 2, de 5.6 pulgadas de mercurio. Por lo que la tubería de 3 pulgadas deberá ser usada a partir del tanque de almacenamiento a la bomba.

           La tabla No. 2, puede ser usada para obtener las dimensiones de la línea de

la bomba a la caldera y la línea de retorno de la caldera al tanque.           Para nuestro ejemplo vemos que para la línea de la bomba a la caldera se debe usar una tubería de 1 ½  pulgada, y para la línea de retorno una tubería de 2 pulgadas. 

Pulgadas de mercurio x 0.491  = lbs/plg2

Lbs/plg2 x 2.04  = pulgadas de mercurio. 

 

 

 

 

      

Cálculo de la línea de combustible ligero (DIESEL).   Las dimensiones de las líneas de diesel son de gran importancia para el buen funcionamiento de una caldera. Se debe tener particular cuidado en las dimensiones de la línea de succión desde el tanque de almacenamiento a la bomba; la ubicación adecuada de la bomba de combustible, así como también la determinación de un vacío de succión (pulgadas de mercurio), dentro de límites aceptables.            La succión que será impuesta a la bomba es causada por:

1.      La elevación vertical del tanque a la bomba2.      La caída de presión a través de las válvulas, filtros, conexiones, etc.

en la línea de succión.3.      Las perdidas por fricción debidas al flujo de combustible a través

de la tubería de succión. Estas perdidas varían de acuerdo a:        La temperatura de bombeo del combustible, el cual

determina la viscosidad del mismo.        La cantidad de combustible bombeado (GPH)        La cantidad total de la línea de succión (pies)        Diámetro de la línea de succión.

 Dos sugerencias importantes:

1.-  La succión empleada sobre la bomba debe ser:a).- De 10 pulgadas de mercurio o menos en el bloque de conexión de combustible (cuando la bomba esta integrada a la caldera).b).-  12 pulgadas de mercurio o menos en la bomba, cuando esta no este integrada a la caldera. 

                 2.-   La más baja temperatura de bombeo que podríamos encontrar sería algo así como 40 ºF (4.4 ºC) a esta temperatura la viscosidad del combustible sería de 68 S.S.U.

Si las bombas de tipo de engranes (las cuales son usadas en sistemas de combustible ligero) son capaces de desarrollas grandes vacíos (hasta de 28 pulgadas de mercurio aproximadamente), no es práctico operarlas arriba de 12 pulgadas de mercurio.           Si el vacío es mucho mayor, el combustible puede vaporizarse y causar problemas de bombeo. El punto en el cual esto ocurrirá, depende de las

características particulares de cada combustible. El uso del vacío máximo de 12 pulgadas de mercurio, también propicia:           a).-   La posibilidad de bombear a una temperatura a bajo de 40 ºF, de la cual resultaría un incremento de viscosidad y           b).-    Algunas fallas en los filtros de succión.            Puede ser usado para la mayoría de los sistemas, las dimensiones de succión recomendadas en la tabla No. 2.           Para sistemas con condiciones excedidas de 10 pies de elevación y 100 pies de línea de succión, use el siguiente procedimiento: I.- Elevación en la succión.-  Determine la  distancia vertical (pies) desde el fondo de la tubería al centro de la bomba (bomba no integrada a la caldera)  o a la conexión del block de combustible en la caldera (con la bomba integrada a la caldera).           A partir de la gráfica No. 3, determine la elevación en pulgadas de mercurio.     

       

   Caídas de presión a través de válvulas, accesorios, filtros, etc.  Estas son variables para cada sistema, una apreciación segura es considerar 2 pulgadas de mercurio por las pérdidas a través de todas las válvulas, accesorios, filtros, etc.

Estas 2 pulgadas de mercurio, deben sumarse a la elevación determinada en el inciso I, obteniéndose el total.

Reste este total al valor de la altura total permisible ( 10 pulgadas de mercurio para la bomba integrada a la caldera y 12 pulgadas de mercurio para la bomba separada de ella). El resto es usado para dimensionar la línea de succión.

 Caída de presión a través de la línea de succión.  Con referencia a la

tabla No. 1, obtenga los GPM bombeados según la capacidad de la caldera que va a ser usada (HP). (si existen dos calderas con una línea de succión común, determine el total de GPH a través de la línea).

De acuerdo con la gráfica No. 4 o No. 5, determine la línea de succión, la cual debe tener una caída de presión (pulgadas de mercurio) igual o menor que la diferencia resultante en el inciso II.

 EJEMPLO.- Determinar  las dimensiones  de la línea de combustible

diesel de una caldera modelo M-100-60.  La elevación vertical es de 9 pies al bloque de conexión y habrá una línea de 110 pies de longitud a partir de la base de la tubería de succión al block terminal sobre la caldera.

 SOLUCION.-  A partir de la tabla No.1 para una caldera modelo M-100-

60 obtenemos la siguiente información:La bomba esta integrada a la caldera , su capacidad es de 30 GPH y la

máxima altura de succión recomendada es de 10 pulgadas de mercurio en el block de conexiones.

De acuerdo a la gráfica No. 3:   9 pies de elevación representan 6.8 pulgadas de mercurio, entonces:

            Partiendo de 6.8 pulgadas de mercurio de elevación de succión, más 2 pulgadas de mercurio (debidas a la pérdidas). Tenemos un total de 8.8 pulgadas de mercurio.

Si tenemos una máxima altura de succión de 10 pulgadas de mercurio y una elevación total de 8.8 pulgadas de mercurio. La diferencia es de 1.2 pulgadas de mercurio en la línea de succión.

A partir de la gráfica No. 4 para 30 GPH, una tubería de  ½  pulgadas encontrará una caída de 2 pulgadas de mercurio por cada 100 pies de tubería.

Para una línea  de 110 pies la caída será de:                         2 x 110 /100  =  2.2 pulgadas de mercurio

 La caída a través de la tubería de  ½ pulgada es mayor  que la muestra

disponible de 1.2 pulgadas de mercurio, lo cual nos indica que no podemos utilizar la tubería de ½ pulgada.

Tomando ahora una tubería de  ¾ de pulgada, con el dato de 30 GPH de acuerdo a la gráfica No. 4 tenemos que:

La caída por cada 100 pies de tubería es de 0.6 pulgadas de mercurio.   Y tenemos para los 110 pies la línea:                         0.6 x 110/100  = 0.66 pulgadas de mercurio La cual es menos que el valor de 1.2 pulgadas de mercurio.Por lo tanto deberá ser usada una tubería de ¾ de pulgada a partir del

tanque de almacenamiento al block de conexión de la caldera y también para la línea de retorno al tanque.

  

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE GAS. 

Recomendaciones.   Un regulador de gas debe ser instalado en la tubería de cada caldera.  Las siguientes recomendaciones deben ser consideradas en la selección de  un regulador.

1.       El regulador debe tener un rango de presión equivalente al del sistema de distribución.

2.      Capacidad.- La capacidad del regulador debe ser 15 % más de la cantidad de gas que puede quemar la caldera para que dé una regulación adecuada.

3.      Ajuste de resorte.-  El  resorte deberá ser apropiado para ajustarse en un rango del 50% abajo y 50% arriba de la presión de regulación adecuada.

4.      Precisión en cierre instantáneo.-  El regulador debe incluir como característica  de fabricación el conservar la presión regulada entre la caldera y éste, y no permitir que se eleve en lo más mínimo la presión cuando se interrumpe el flujo de gas.

5.      Regulador en paralelo.-  Este tipo de instalación podrá ser usada si los requerimientos del volumen de gas son muy grandes y si la caída de presión deberá ser reducida al mínimo.

6.      Regulador en serie.-   Este tipo de instalación podrá ser usado si la presión del gas disponible es de 5, 10 ó 20 lb/plg2 manométricas, dependiendo de las características del regulador.  Un regulador reducirá la presión a 2 ó 3

lbs/plg2. Y el segundo regulador reducirá la presión necesaria del quemador.

7.      Ubicación del regulador.  Por ambos lados del regulador deberá haber tubería recta para asegurar un regulación adecuada. 

Esto es particularmente importante en los reguladores del pilotoEl regulador puede ser localizado cerca de la conexión de gas, pero con 2 ó 3 pies de tubería recta del lado de alta presión.

 Coladores y compresores de gas.    Colador de gas.-     Es recomendable el uso de  un colador para proteger el regulador y otros equipos contra alguna impureza que pueda ir el la línea de gas.    Compresor de gas.-  Si el gasoducto no tiene la suficiente presión  de gas para los requerimientos de su caldera deberá utilizar un compresor de gas.  Este compresor incrementará la presión disponible a una presión satisfactoria. Precaución. El uso de un compresor de gas deberá ser discutido antes de efectuada la instalación con la compañía distribuidora de gas.Todo el sistema de la línea de tubería de gas, debe ser limpiado y soplado antes de usarse para eliminar cualquier impureza ocasionada en la instalación. CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE UNA LINEA DE GAS. 

1.      determinación de los siguientes datos a partir de la capacidad de la caldera seleccionada (CC).a).-  Flujo CFH a partir de la tabla No. 3b).- Presión requerida  a la entrada del tren de gas sobre la caldera (pulgadas de agua), de la tabla No. 4.c).-  Densidad del gas (proporcionada por el distribuidor).d).-  Presión garantizada, (pulgadas columna de agua), a la salida del medidor, del distribuidor de gas. 

2.      Seleccione un regulador de presión de gas (para instalarlo cerca de la caldera) el cual deberá tener el rango de presión y capacidad adecuada.  Consulte con un representante de los reguladores de gas, quien le proporcionará lo siguiente:a).- Mínima presión requerida a la entrada del regulador para una apropiada operación (pulgadas columna de agua).b).-  Caída  de presión a través del regulador para el flujo máximo CFH. 

3.      Reste el valor obtenido en 2.-a), del valor obtenido en 1.- d)     La diferencia resultante, (pulgadas columna de agua), es la caída de presión permisible que puede ser tomada a partir del medidor a la entrada del regulador.

 4.      suponiendo que la densidad del gas (del inciso 1.-c), es:                  0.50 –

0.75 

Entonces las gráficas Nos.  8,9,10,1,12, ó 13, pueden ser usadas para determinar las dimensiones correctas dela tubería. Usando el valor del flujo total del gas CFH (inciso 1.-a), selecciones la dimensión de la tubería (de acuerdo a la gráfica 8 a 13), la cual debe resultar con una caída de presión igual o menor que el valor de la diferencia obtenida en el inciso 3.Nota.  Los puntos representados en las gráficas 8 a 13 fueron obtenidos de Low Pressure Journal Gas flow computer, American gas Journal, Inc. Dallas, Texas. EJEMPLO.  Determine las dimensiones apropiadas de la línea de gas para una caldera modelo CB-700-150.      La longitud de la línea de gas, será de 60 pies y existirán 4 codos de 90º y 1 válvula macho (de operación manual) en la línea entre la salida del medidor del gas y la entrada al regulador de presión de gas de la caldera. Solución.1.-             a).- De acuerdo a la tabla No. 3, el flujo será de 6280 CFH.      b).- De la tabla No. 4 la presión requerida a la entrada del tren de gas (brida de conexión) es de 6 pulgadas columna de agua.      c).- La densidad del gas es de 0.60 según la compañía de gas.      d).- La presión disponible a  la salida del medidor de gas deberá ser de 10 pulgadas de agua. 2.- Seleccione un regulador el cual debe cumplir con:      a).- Presión requerida a la entrada, 8 pulgadas de agua para regular aproximadamente las 6 pulgadas de agua del lado de la descarga.      b).- Tener una caída máxima de 2 pulgadas columna de agua a través de él, como máximo. 3.- 10 pulgadas columna de agua (inciso 1.-d) menos 8 pulgadas de agua (inciso 2.-a), entonces, 2 pulgadas de agua de elevación será el valor que tenemos para dimensionar la línea de gas. 

4.- Si el valor de la densidad esta entre 0.50 y 0.75, de acuerdo a las gráficas No. 8 a No. 13, podemos determinar la dimensión  correcta e la tubería, es decir:      A partir de la gráfica No. 10 con un flujo de 6280 CFH. Vemos que la tubería de 3 pulgadas tendrá una caída de 1.75 pulgadas de agua, por cada  100 pies de tubería.      Si tenemos 4 codos de 90º de 3 pulgadas, su longitud equivalente de acuerdo a la tabla No. 1, es:      4 x 8 pies = 32 pies de tubería de 3” de diámetro, si tenemos una válvula macho de 3 pulgadas su longitud equivalente es de 12 pulgadas de tubería de 3 pulgadas.      La longitud total equivalente de tubería es: 

60 pies +32 pies + 12 pies = 104 pies       Así la caída de presión total a lo largo de la línea es: 

1.75 pulgadas de agua / 100 pies x 104 pies  = 1.82 pulgadas de agua. 

    Siendo este valor menor que la caída de presión permisible (inciso 3). De aquí que deberá ser usada una tubería de 3 pulgadas a partir de la salida del medidor a la entrada del regulador.

   

            SUPERFICIE DE CALEFACCION.  Es la superficie de metal que esta en contacto al mismo tiempo con los gases de combustión y con el agua o vapor, es decir, es toda  superficie de una caldera que está en contacto por un lado con el agua y por el otro lado está expuesta al fuego o a la corriente de los gases de 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. Las ecuaciones para el cálculo de la superficie de calefacción son: 

En los tubos (mt2):   

En el hogar (mt2):                          

En los espejos (mt2):                         AREA TOTAL =   ATUBOS + AHOGAR + AESPEJOS   (mt2) CAPACIDAD (HP ó CC)   =   AREA TOTAL / 0.465 

              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 lb/hr) de vapor saturado de 100 °C (212 °F) utilizando agua de alimentación de la misma temperatura.            Cuando esta cantidad de vapor se produce por cada m2 de superficie de calefacción se dice que la caldera esta trabajando con  un 100% de carga.             Capacidad  nominal. Se obtiene de acuerdo a la siguiente expresión. 

                                                    Sc = superficie de calefacción. 

            Capacidad real.                       Q = cantidad de calor que se esta transmitiendo al fluido por hora en Kcal. o Btu. 

Q = ms (hv – hc) 

ms = cantidad de vapor que esta produciendo la caldera por hora en Kg (lbs)hv =  cantidad de calor que lleva la unidad de peso de vaporhc =  cantidad de calor que lleva la unidad de peso del agua de alimentación de la caldera. 

            Porcentaje de carga (R).   Se llama porcentaje de carga de una caldera a la relación entre el calor transmitido por hora y el que se debía transmitir de acuerdo con la superficie de calefacción a razón de 8450 kcal/hr/caballo  (33500 btu/hr/caballo).            Por razón de su mejor diseño, las calderas modernas producen una cantidad de vapor superior a 15.65 kg/hr (34.5 lbs/hr) o una cantidad de calor superior a 8450 kcal/hr (33500 btu/hr). Por cada m2 de superficie de calefacción. 

          

                                En que unidades se mide la capacidad de una caldera?   Una caldera o generador de vapor es un transmisor de calor, y por lo tanto, su capacidad está definida por la cantidad de calor transmitido y aprovechado por el agua y el vapor.            La A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers), define al caballo caldera como unidad de capacidad en los siguientes terminos:            Es la evaporación de 15.65 kg/hr (34.5 lbs/hr) partiendo de 100 °C (212 °F) a vapor de 100 °C (212 °F).            Estas condiciones significan que el fluido absorberá una cantidad de calor igual a: Q = 15.65 kg/hr (640 – 100) kcal/kgQ = 15.65 (540) = 8450 kcal/hr Q = 34.5 lbs/hr (1150.3 – 180) btu/lbQ = 34.5 (970.3) = 33 475.5 btu/hr            

EVAPORACION DE UNA CALDERA.   Se llama “evaporación” a la cantidad de (kg o lb) de vapor que produce una caldera bajo determinadas condiciones de presión absoluta en una hora y con determinada temperatura del agua de alimentación.  Por ejemplo, se dice de una caldera cuya evaporación sea 1400 kg/hr a 8.8 kg/cm2 manométricos, instalada en la ciudad de Monterrey y a la que se le alimenta agua a 60 °C.  O bien, de una caldera cuya evaporación sea de 9000 lbs/hr a 145 lbs/plg2 manométricas, instalada en la ciudad de Guadalajara, con agua de alimentación de 160 °F.           

LA EVAPORACIÓN ES LA MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA.            Las dificultades para designar la evaporación de una caldera en estas condiciones, estriban en los siguientes puntos.

1. Una misma caldera puede operar a diferentes presiones en el término de una hora, dependiendo de la demanda de vapor y, en consecuencia, de la cantidad de combustible que se alimente.

2. La temperatura del agua de alimentación varía constantemente.3. La  misma caldera puede estar instalada en sitios diferentes, a distintas altitudes

sobre el nivel del mar. 

Es decir, una misma caldera podría designarse en cuanto a capacidad (evaporación) con un número infinito de valores, dentro de determinados límites de presión de vapor, altitud y temperatura del agua de alimentación.

 Para uniformizar nuestro criterio y evitar posibles confusiones, utilizaremos el

término EVAPORACIÓN EQUIVALENTE (nominal) para referirnos a la evaporación comparativa bajo las condiciones de presión absoluta al nivel del mar (1.033 kg/cm2, 14.696 lbs/plg2), de altitud cero y con agua de alimentación a 100 °C (212 °F).

Como la temperatura de saturación al nivel del mar es de 100 °C, la evaporación equivalente es expresada en kg/hr desde y hasta 100 °C, o bien en lbs/hr desde y hasta 212 °F.  Esto significa la cantidad de vapor en kg (lbs) que producirá cada hora una caldera que reciba agua a 100 °C (212 °F) y la convierta en vapor a 100 °C (212 °F).

 Y utilizaremos el término EVAPORACIÓN REAL (de operación), para

referirnos a la evaporación efectiva, bajo condiciones de presión manométricas de acuerdo a la altitud del lugar de operación de la caldera y con agua de alimentación con una temperatura efectiva en el momento de estar en operación.

Para transferir las capacidades reales  a las equivalentes, que son las que proporcionan los fabricantes, interviene el concepto FACTOR DE EVAPORACIÓN. Que es la relación que existe entre la evaporación equivalente y la evaporación real, bajo cualquier condición de operación.

Deberá tenerse presente que las capacidades que se mencionan son capacidades máximas, es decir, considerando la dotación máxima de combustibles que puede admitir una caldera.

Si llamamos:                             Fe .-  Factor de evaporación                             WE.- Evaporación equivalente                             Wr .- Evaporación real 

Entonces tenemos:

        El factor de evaporación por ser un número abstracto, es igual en cualquier sistema de unidades. (ver factor de evaporación en la sección tablas y gráficas generales).

 EJEMPLO.  Una caldera tiene una capacidad de 950 kg/hr, desde y a 100

°C pero en la práctica operará a una presión manométrica de 9.14 kg/cm2 manométricos con agua de alimentación de 60 °C.

El factor de evaporación (ver tablas), es de 1.118, la evaporación real será: 

    

EJEMPLO.  Si una caldera  tiene una capacidad de 2070 lbs/hr desde y a 212°F pero en la práctica operará a una presión manométrica de 110 psig con agua de alimentación de 140°F.

El factor de evaporación es de 1.115 

 

Si una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera cuando es capaz de producir 15.65 kg/hr (34.5 lbs/hr) de vapor seco desde y a 100°C (212°F). En consecuencia cualquier evaporación “equivalente” desde y a 100°C (212°F) dividida entre 15.65 kg/hr ó 34.5 lbs/hr, nos dará el número de caballos caldera correspondiente.

  EJEMPLO.  Si llamamos CC a los caballos caldera: y si 

WE = 950 (kg/hr)                   

WE = 2070 (lbs/hr)                 Podemos  resumir. 

O bién. 

 De acuerdo a todo lo anterior vemos que el Factor de Evaporación

realmente se calcula considerando la relación entre el calor que aprovecha en una caldera la unidad de peso de agua, hasta convertirse en vapor bajo las condiciones reales de operación y la cantidad de calor que aprovecha la misma unidad de peso de agua, bajo las condiciones de presión y temperatura al nivel del mar.

  

 EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERA

   La eficiencia de una caldera es la relación entre el calor aprovechado por el

fluido (agua y vapor) y el calor que suministra el combustible al mismo en una hora.

   La eficiencia de la caldera en su planta es determinada por dos factores:

        1).-            Diseño de la caldera y limpieza de las superficies de calefacción.

        2).-            Diseño del quemador y habilidad de este para ser ajustado y sostener la relación aire-combustible.

 1.- Diseño de la caldera.-

  El diseño de la caldera y la limpieza de las superficies de calefacción, tanto del lado del agua como en el lado de los gases, son los factores que permiten la transferencia del calor al agua. Buen diseño y superficies limpias representan máxima transferencia de calor y menos pérdidas por la chimenea. Diseños anticuados u hollín e incrustación en los tubos de la caldera, reducen la transferencia de calor, incrementan la temperatura de los gases en la chimenea y consecuentemente producen una eficiencia reducida. 2 .-    Diseño de quemador.-            Todos los quemadores requieren un exceso de aire adicional a la cantidad de aire químicamente necesario para la combustión. Si se suministra una cantidad de aire insuficiente para la combustión, la flama humeará y cubrirá los tubos de hollín y carbón.            En caso contrario, si emplea grandes cantidades de exceso de aire, el aire innecesario es calentado y este aire calentado es expulsado por la chimenea llevando consigo considerables cantidades de calor que es desperdiciado. Consecuentemente es importante en la eficiencia de operación, la relación aire-combustible y deberá ser comprobada con un analizador de gases. Los diferentes tipos de eficiencia , son tres:    Eficiencia de combustión.   Eficiencia térmica.   Eficiencia total de la caldera.  Eficiencia de combustión.-            Esta es la efectividad exclusiva del quemador y está relacionada con su habilidad para quemar totalmente el combustible. La caldera propiamente tiene poca relación, sobre la eficiencia de combustión. Con un 15% a 20% de exceso de aire, un buen quemador deberá  tener una eficiencia de combustión de 94% a 97%. Eficiencia Térmica.-            Esta es la efectividad de la transmisión de calor en un cambiador de calor. Esta no toma en cuenta las pérdidas por radiación y convección (como por

ejemplo: del cuerpo de una caldera, de la columna de agua, de la puerta trasera, etc.) u otras pérdidas varias, tales como: la variación en el poder calorífico, precisión en la medida del combustible, vapor y agua, o peso de los accesorios.            Las pérdidas por radiación, convección y varias pueden ser de 1% a 3% de la capacidad desarrollada por la caldera y su valor depende del tamaño de ésta. Eficiencia total de la caldera.-            Este es un término general y significa la eficiencia térmica total o sea la eficiencia combustible a vapor.            La eficiencia total de una caldera es la relación entre el calor aprovechado por el fluido (agua y el calor que suministra el combustible al mismo, en una hora.            Algebraicamente la eficiencia de una caldera o generador de vapor se puede expresar así: 

                 donde:                                            =  Eficiencia del generador de vapor                                      ms   =  Peso del vapor producido por hora                                      Hv =  Entalpia del vapor a la salida

Hl  =  Entalpia del agua a la entradaPc  =  Poder calorífico del combustiblemc  =  Cantidad de combustible, quemado por hora, en peso.

             Esta expresión también puede indicarse de la siguiente manera: 

 

   Donde:                      Qs = Calor suministrado                      Qp = Calor perdido.  

¿Cómo comprobar la eficiencia de una caldera? 

   Método directo. (de acuerdo a la fórmula A)

   Se requiere de instrumentos apropiados para la medición de la cantidad total de Kcal (Btu), contenidas en la cantidad de combustíble utilizado (suministrado), y el total de Kcal (Btu) aprovechadas por el vapor o agua caliente producidas.

  Por ejemplo: el aceite combustible debe ser pesado para medir la cantidad utilizada durante un período de tiempo dado. El combustible deberá ser también, analizado para determinar su poder calorífico en Kcal/kg (Btu/Ib).            Con gas combustible, se deben emplear medidores calibrados para determinar la cantidad usada (por la caldera solamente), en un período de tiempo determinado. Se debe conocer también su poder calorífico en Kcal/m3  (Btu/pies3).            La cantidad de vapor producido es generalmente, determinado con medidores del agua de alimentación, y deberá ser comprobado con medidores de flujo de vapor. Se deberán usar calorímetros, para determinar la calidad del vapor. Se deberá llevar un control preciso del flujo y temperatura del agua de repuesto, de las lecturas del calorímetro y de la presión del vapor, asimismo se deberá mantener una carga constante en la caldera preferentemente en su capacidad máxima.

   En la mayoría de los casos, el equipo de medición, no está disponible y los cálculos no pueden ser hechos convenientemente, o con precisión. De aquí, que un método más práctico es comúnmente usado, y este método proporciona un buen grado de precisión. 

   Método indirecto (de acuerdo a la fórmula B. Aproximado)   a).-  Equipo requerido.   Analizador de gases, para comprobar el contenido de CO2, O2, y CO en los

gases de la combustión.   Termómetro en la chimenea.   Termómetro en el cuarto de calderas.   Gráficas para pérdidas de calor a través de la chimenea para distintos

combustibles.   Gráficas de corrección para sumar pérdidas por radiación. Convección y

pérdidas varias.    b).-  Procedimiento.   Después de operar una caldera por varias horas, proceder de la siguiente

manera:   Tome la temperatura en la base de la chimenea.   Mida el contenido de CO2 en el flujo de gases de la combustión.

Obtenga la diferencia de temperaturas entre la temperatura en la chimenea, y la temperatura del cuarto de calderas, con la finalidad de obtener las pérdidas netas de temperatura en la base de la chimenea.

    Con estos datos y de acuerdo a las gráficas 1E, 2E, 3E, y 4E, obtenga el porcentaje de las perdidas de calor, a través de la chimenea.

        Sume las pérdidas de calor por radiación y convección y pérdidas varias.Finalmente reste la cifra obtenida del 100% y obtendrá la eficiencia de la

caldera.    Ejemplo No. 1.- Caldera modelo Cb de 100 caballos caldera de capacidad,

con una presión de diseño de 1.05 Kg/cm2 (15 Lbs/puIg2). Combustible utilizado Gas natural.

  Si usted determina una temperatura en la base de la chimenea: de 340 °F y una temperatura en el cuarto de calderas: de 80 0F.        

   Entonces las pérdidas netas de temperatura en la base de la chimenea son de:

340° -  80° = 260 0F. Netos 

  Y sí su lectura de CO2 es de 10% entonces con estos datos y a partir de la gráfica 3E obtenemos una pérdida de calor en la base de la chimenea de 15.6 %. Sume 2% por pérdidas por radiación, convección y pérdidas varias, entonces:

                                         Total de Pérdidas: 15.6% + 2%   =  17.6%             Finalmente; la eficiencia aproximada de la caldera es:  100%  -  17.6%  =   82.4%              Ejemplo No. 2.- Caldera modelo Cb de 400 Caballos caldera de capacidad, con una presión de diseño de 10.5 Kg/cm2 (150 Lbs/puIg2). Combustible utilizado: Combustóleo.            Si usted determina una temperatura en la chimenea de 470 0F, y una temperatura en el cuarto  de calderas de 70 0F.Entonces las pérdidas netas de temperatura en la base de la chimenea son de: 

470° -   70° =  400 °F NetosY si su lectura de CO2 es de 13%, entonces con estos datos y a partir de la gráfica 2E obtendremos una pérdida de calor en la base de la chimenea de 14.8%. Sume 2% por pérdidas varias; entonces: 

Total de pérdidas: 14.8% + 2% = 16.8% Finalmente la eficiencia aproximada de la caldera es:    100 % -  16.8 %  =  83.2 %

 La eficiencia afecta directamente el costo del combustible. 

1.    El costo de operación más importante de cualquier caldera es el costo del combustible, una pequeña diferencia en la eficiencia de la caldera (2% a 5%) puede hacer una gran diferencia en los pagos anuales de combustible.

2.    Note que el incremento en el costo del combustible es más grande que el porcentaje de disminución en la eficiencia de la caldera, ejemplo:

    A 5% de caída de la eficiencia el costo del combustible se incrementa en 6.5%.   A 7% de caída de la eficiencia el costo del combustible se incrementa en 9.5%.   A 10 % de caida de la eficiencia el costo del combustible se incrementa  en

14.3 %.

%Diferencia de temperaturas entre el flujo de gas y el cuarto de calderas en grados fahrenheit

CO2

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

520

3.024.1

25.8

27.7

29.3

31.3

33.9

34.8

36.4

38.2 40

42.9

44.8

45.5 47 49

50.8

52.4

3.521.8

23.1

24.8

26.2

27.8

29.2

31.7

32.5

33.9

35.3

36.9

38.5 40

41.7

43.1

44.8

46.1

4.019.9

21.2

22.5

24.9

25.2

26.5

27.9

29.2

31.7 32

33.3

35.8 36

37.3

38.7 40

41.4

4.518.4

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