UNIVERSIDAD DE CHILE

Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas

Departamento de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química

Propiedades Físicas y Estructuras de Materiales

Calderas

Informe de Seminario

Autor: Yerco Moreno Urzúa

Profesor: Eduardo Castro Montero

Ayudante: Sergio Escobar Flores

Fecha Entrega Informe: 10.01.2012

Santiago, 10 de enero de 2012

Sr. Eduardo Castro Montero

Profesor de Propiedades Físicas y Estructuras de Materiales

Departamento de Ciencias de los Alimentos y Tecnología Química

Facultad Ciencias Químicas y Farmacéuticas

Universidad de Chile

PRESENTE

De mi consideración,

Junto con saludarle, me dirijo a usted con el fin de hacerle entrega del informe “Calderas”, correspondiente a la tarea de seminario de su asignatura. Éste consiste en una

investigación en extenso sobre todo lo concerniente a estos equipos industriales. Se envía una copia de este trabajo al correo del ayudante respectivo.

Sin otro particular y agradeciendo su atención, me despido atentamente,

Yerco Moreno Urzúa

Estudiante Ingeniería en Alimentos

Universidad de Chile

CALDERAS

RESUMEN

En el siguiente informe se presentó un completo estudio teórico sobre las calderas, una de las instalaciones que más se utiliza en la Industria, con diversas aplicaciones en los procesos productivos. En él, se realizó un análisis acabado de equipo; incluyendo los elementos que los componen, clasificación, principios de operación y manejo, eficiencia y aplicación en la Industria de Alimentos, entre otros. Al finalizar el informe, se diseñó una base de datos en el programa Microsoft Office Access 2010, la cual incluye una selección de diversos tipos de calderas utilizadas en la Industria. La información completa de esta base de datos se puede encontrar en el sitio web www.u-cursos.cl, en el link de la asignatura Propiedades Físicas y estructuras de materiales.

INTRODUCCIÓN

La Ingeniería de Procesos Alimentarios comprende la parte de la actividad humana en que los conocimientos de las ciencias físicas, naturales y económicas, se aplican de forma que a

las materias primas se les hace experimentar una modificación en su composición, contenido energético o estado físico, obteniendo así diversos productos alimentarios.

También puede definirse como la ciencia de concebir, calcular, diseñar, hacer, construir y hacer funcionar las instalaciones donde se efectúan, a escala industrial y del modo más económico posible, la transformación de las materias primas. Por tanto, el Ingeniero en Alimentos deberá conocer los principios básicos de la Ingeniería de Procesos, y ser capaz de desarrollar nuevas técnicas para la elaboración de productos. Asimismo, debe tener suficiente capacidad para poder diseñar y operar los aparatos que deben utilizarse en un proceso determinado.

Para que una materia prima se convierta en un producto, debe ser sometida a una serie de procesos de manufacturación. Un proceso es el conjunto de actividades u operaciones industriales que tienden a modificar las propiedades de las materias primas, con el fin de obtener productos que sirvan para cubrir las necesidades de la sociedad. Estas modificaciones van encaminadas a la obtención de productos que tengan una mayor aceptación en el mercado, o bien que presenten mayores posibilidades de almacenamiento o transporte.

Existen diversos procesos utilizados en la Industria de Alimentos. Dentro de estos procesos, también denominados Operaciones Unitarias, los más fundamentales son los tratamientos térmicos (aquellos basados en los mecanismos de transmisión de calor): esterilización y pasteurización, escaldado, evaporación, etc. Para poder llevar a cabo estos tratamientos térmicos, las Industrias requieren de grades cantidades de energía calorífica. La fuente industrial convencional de energía calorífica es la combustión de productos naturales.

Los equipos que se encargan de producir energía son las calderas. Las calderas se utilizan en la mayoría de las industrias debido a que muchos procesos requieren de grandes cantidades de vapor como fuente de energía. La función de la caldera es generar vapor para fuerza, procesos industriales o calefacción. La caldera cumple con una función de vital importancia en la producción de calor en toda industria de alimentos, debido a su variada aplicación a los procesos de tratamientos térmicos así como también en todos los aspectos de higiene de una planta.

¿QUÉ ES UNA CALDERA?

La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realiza en instalaciones generadorascomúnmente denominadas calderas.La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales yaccesorios tales como:

Ø

Economizadores y chimeneas.

Ø

Sobrecalentadores y recalentadores.

Ø

Quemadores y alimentadores de aire.

Ø

Condensadores.

Ø

Bombas y tanques de alimentación.

Ø

Domos.En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamientoy sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en su estructura alguno de los componentes citados.Las calderas se pueden clasificar según:a)

El pasaje de fluidos, en humotubulares o acuotubulares.b)

El movimiento del agua, de circulación natural o circulación forzada.c)

La presión de operación, en subcríticas y supercríticas.Las calderas primitivas consistían en un gran recipiente lleno de agua que era calentado por un fuego en su parteinferior. El gran volumen de agua en estado de ebullición generaba fácilmente situaciones de gran riesgo al excedersela presión máxima admisible.Para aumentar la superficie de contacto gas-metal, y disminuir la cantidad de agua en ebullición se crearonprimero las calderas humotubulares, en las que los gases de combustión circulan por tubos inmersos en el agua.El próximo paso en el desarrollo fue la creación de las calderas acuotubulares, en las que el agua circula portubos que forman las paredes del hogar. De este modo se maximiza la transferencia de calor y se minimiza elvolumen de agua reduciendo el riesgo de explosión.

2.

Calderas humotubulares

Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso, aunquelas hay productoras de vapor de relativamente baja presión (hasta 12 atm).Fig. 11.1: Caldera humotubular de un paso (Shield).Las hay de uno o varios pasos de los gases por los tubos, de distintas configuraciones (fondo y/o pisohúmedo o refractario, compactas, verticales).Si bien la limpieza de los tubos de humo es sencilla, requieren buena calidad de agua, pues la limpieza de lostubos en su parte externa ( depósitos calcáreos) es dificultosa

.

3.

Calderas acuotubulares

Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de paredes de agua. El recintoposee aberturas para los quemadores y la salida de gases de

combustión.La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre agua fría y caliente. El aguaen ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separa el vapor del agua:Fig. 11.2: Caldera acuotubular de 2 pasos de humos y circulación natural (Shield).Estas calderas son económicas por la ausencia de las bombas de líquido pero de baja producción de vaporpor la baja velocidad de circulación del agua.Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se utilizan bombas de alimentación de agua,pudiendo operarse incluso por encima del punto critico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm)La figura siguiente ilustra un circuito típico del tipo Benson. Si se añade una bomba de recirculación, paramover rápidamente el agua en los tubos evaporadores, y un domo para separar el vapor se tiene el tipo Lamont.

Fig 11.3: Caldera tipo Benson (Shield).

4.

Ciclos de vapor

Una caldera es una máquina utilizada en la Industria, que está diseñada para generar vapor saturado o sobrecalentado. Este vapor se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) a presión constante, en la cual un fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. En términos más simples, la caldera es un intercambiador de calor: transforma la energía química (proveniente de algún combustible) en energía calorífica, utilizable y aplicable en la Industria. Además, intercambia este calor con un fluido (generalmente agua), que se transforma en vapor de agua.

La transferencia de calor en la caldera, se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado.

La caldera es uno de los elementos más ampliamente utilizados para la transmisión de calor en la Industria y en aplicaciones comerciales, o incluso domésticas. Entre los procesos que realizan en la industria, aquellos que requieren de una caldera son: calentamiento o enfriamiento de fluidos, evaporación, esterilización en autoclave, pasteurización de alimentos en intercambiador de calor, operaciones de escaldado, etc.

La fuente industrial convencional de energía calorífica es la combustión de productos naturales, entre los más utilizados para el uso de calderas están el petróleo, el gas natural y el gas licuado, siendo este último el menos contaminante del ambiente. La propiedad fundamental del combustible es la poder calorífico, esto es la cantidad de energía que es posible obtener al quemar la cantidad unitaria de material [Shield, 1998].

ORÍGENES Y DESARROLLO HISTÓRICO DE LA CALDERA

Definida como el corazón de la industria, la caldera de vapor cuenta con una historia generosa en materia de avances técnicos a través de los años. Si bien existen antecedentes de que la primera máquina de vapor fue inventada por Herón de Alejandría, en el siglo I d.C., los orígenes industriales de este dispositivo no pueden remontarse sino más que a Inglaterra, epicentro industrial del mundo a finales del siglo XVII y comienzos del XVIII y la cuna de uno de los inventos más portentosos del hombre en cuanto a la obtención de energía: la caldera. El invento, tal vez rudimentario al comienzo, fue logrando avances en la medida que diferentes hombres de gran ingenio incorporaron nuevas ideas para ir haciéndolas cada vez más eficientes y seguras. Así pues, mientras el mundo, más allá de la pujanza industrializadora de los ingleses, demandaba recursos energéticos para su desarrollo, la caldera fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para cada proceso productivo..i .n . ..

Los orígenes de la caldera se le atribuyen al inglés Thomas Newcomen, quien es frecuentemente citado como el padre de la revolución industrial por ser el primer innovador y empresario de la época capaz de desarrollar una máquina de vapor, junto a su socio Thomas Savery.

El trabajo de Newcomen sobre la máquina de vapor fue fundamentalmente empírico, fruto de la habilidad, experiencia y conocimientos adquiridos mientras trabajaba junto a Savery. El hecho de que la máquina de Newcomen no estuviera basada en una serie de fundamentos teóricos relacionados con la producción y empleo del vapor como fuerza motriz, hizo que las sucesivas máquinas que se construyeron tuvieran eficacias muy dispares, dependiendo de los tamaños relativos de los diferentes componentes que las conformaban. Se requería por tanto realizar un estudio cuidadoso, siguiendo una metodología científica, a fin de descubrir de qué factores dependía su eficacia. En otras palabras, se requería realizar un proceso de optimización experimental que condujera a introducir las mejoras necesarias para conseguir el máximo rendimiento de estas máquinas. Este proceso de optimización fue llevado a cabo por John Smeaton (1724-1792), un ingeniero con formación teórico-científica que en 1769 fue capaz de establecer y predecir cuál sería la eficacia de estas

máquinas, obteniendo los valores óptimos para su fabricación. Es más, él mismo construyó en 1774 una máquina de vapor más potente lograda hasta ese momento.

La máquina de Newcomen y las mejoras introducidas por Smeaton constituyeron el primer gran paso de la denominada Revolución industrial, período histórico caracterizado por un radical cambio en los procesos de producción, comunicación y transporte, pues el empleo del motor de vapor permitió reemplazar la energía muscular de hombres y animales en energía mecánica producida por el vapor. Si una máquina, como la de Newcomen, podía mover el brazo de una bomba para sacar agua, muy bien podía utilizarse como motor para realizar otros muchos trabajos o incluso para arrastrar o desplazar grandes pesos o mercancías.

Pocos años después de que Smeaton presentara las mejoras de la máquina de Newcomen, un ingeniero escocés de nombre James Watt (1736-1819) presentó una serie de mejoras todavía más revolucionarias. Cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias [Jun et ál, 1987].

ELEMENTOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA

a) Componentes de una Caldera:

Las calderas, constan básicamente de las siguientes partes:

1. Cámara de Agua: Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera. El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que al menos sobrepase en unos 15 centímetros a los tubos o conductos de humo superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua.

Como características importantes se pueden considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del

agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido y debido a su reducida superficie producen poco vapor, adicionalmente son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas. Por otro lado, las calderas de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor; debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

2. Cámara de Vapor: Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

3. Cámara de alimentación: Es el espacio donde reposa el alimentador, por donde se agrega el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador.

4. Horno u hogar: Es el lugar donde se quema el combustible (combustión). Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico. El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua. El hogar también puede estar construido fuera del recipiente metálico y estar parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua. La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama-agua).

5. Economizador: Es la parte de la caldera donde por intercambio de temperatura entre los gases de combustión y el agua de caldera, se le baja la temperatura a los gases de combustión y se le incrementa al agua de caldera. Con esto, se pretende economizar combustible en el proceso de producir vapor y a su vez minimizar el impacto ambiental pues se evita el aumento de la temperatura del medio ambiente. El economizador puede estar situado dentro de la caldera, como parte de la zona de convección, o puede ser externo donde por razones de espacio no se puede aplicar el arreglo anterior.

Adicionalmente, las calderas tienen dentro de su configuración, una gran cantidad de componentes de operación y control:

* Válvulas de seguridad.

* Válvulas reguladoras de flujo.

* Bomba de alimentación.

* Tanque de condensados.

* Trampas de vapor.

* Redes de distribución.

* Equipos consumidores.

* Sistemas de recuperación de calor.

* Envolvente aislante térmico (para disminuir las pérdidas de calor).

* Condensador: Sistema que permite condensar el vapor formado por el sistema.

* Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado en el fondo de la caldera, por ejemplo: residuos sólidos provenientes de agua "dura".

* Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.

b) Elementos de Funcionamiento de una Caldera:

1. Fuego (Combustión): El proceso de combustión es de gran importancia en la operación de las calderas, éste debe ser lo más óptimo posible en cuanto a su consumo y además amigable con el medio ambiente. Para que se dé el proceso de combustión es necesario que exista un combustible, un comburente (aire) y un agente externo que produzca la ignición (chispa); cuando esto ocurre se da una reacción química entre el combustible y el oxígeno,

para producir gases de combustión y liberar energía en forma de trabajo y calor. Esta energía es aprovechada en las calderas para evaporar el agua.

2. Combustible: Se denomina combustible a toda sustancia capaz de arder, es decir, aquella que es capaz de combinarse rápidamente con oxígeno con un desprendimiento de calor más o menos interno. Todos los combustibles industriales se caracterizan por estar constituidos por mezclas de pocos elementos. La mayor proporción en peso está formada por carbono, hidrógeno y en la mayoría de los casos azufre. El resto está constituido por la humedad, cenizas, oxígeno y nitrógeno, y en su presencia origina problemas tecnológicos y de explotación específicos de cada tipo de combustible.

3. Agua: El agua obtenida de ríos, pozos y lagos es denominada agua bruta y no debe utilizarse directamente en una caldera. El agua para calderas debe ser tratada químicamente mediante procesos de descarbonatación o ablandamiento, o desmineralización total, adicionalmente, según la presión manejada por la caldera, es necesario controlar los sólidos suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material orgánico, gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la caldera sufrirá problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por material particulado, etc.

* Agua de alimentación: Es el agua de entrada que ingresa al sistema, generalmente constituye agua de pozo o agua de red. Esta agua se almacena en una cámara la cual se diseña de manera que el nivel del agua sobrepase a los tubos o conductos que contienen los gases de combustión. Esto se hace con el objetivo de que los gases de combustión transfieran parte de su energía al agua de alimentación, y así se acelere su conversión en vapor.

* Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor.

4. Vapor: La caldera debería proporcionar un vapor saturado seco, sin embargo, las exigencias variables de funcionamiento, configuración interna y otras hacen que el título difiera del 100%.

Cuando al agua se le comunica energía calorífica, varía su entalpía y su estado físico. A medida que ocurre el calentamiento, la temperatura del fluido aumenta y por lo regular su densidad disminuye. La rapidez de la vaporización dependerá de la velocidad de transmisión de calor al agua y de su movimiento en el recipiente donde esté confinado.

* Vapor de agua saturado: Es el vapor producido a la temperatura de ebullición correspondiente a su presión absoluta. El vapor saturado puede se seco o húmedo, dependiendo de si posee o no partículas de agua sin vaporizar o en suspensión.

* Vapor de agua sobrecalentado: Es el vapor producido a una temperatura mayor que la del punto de ebullición [Shield, 1998].

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Si bien existen una gran cantidad de diseños y patentes de fabricación de calderas -cada una de las cuales presenta características propias- las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos: calderas pirotubulares y acuotubulares, cuyas características se indicarán a continuación.

Adicionalmente, las calderas se pueden clasificar de muy diversas formas, de acuerdo a diferentes criterios: el tipo de materiales de la que están construidas, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presión con que operan o por el fluido portador de calor que emplean.

Para obtener los rendimientos óptimos, es muy importante utilizar la caldera apropiada a cada aplicación; por ejemplo, es frecuente el caso de reutilizar para combustibles líquidos o gaseosos, calderas diseñadas inicialmente para combustible sólido, obteniéndose rendimientos muy inferiores a los que corresponden a una caldera diseñada exclusivamente para estos combustibles.

1. Calderas Pirotubulares:

La caldera de humos o pirotubular, es aquella que necesita transferencia térmica para que se pueda extraer del combustible y del material la mayor parte del calor que las condiciones económicas permitan. El flujo de los gases de la combustión se realiza por el interior de los tubos; los gases de combustión que salen del hogar pasan previamente por el interior de un haz de tubos que se encuentra en el cuerpo de la caldera bañados por el agua con el fin de aumentar la superficie de calentamiento de la misma, antes de ser expulsado por la chimenea. En este tipo de calderas el combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación; y a los gases resultantes se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección.

Estas calderas se fabrican en capacidades que van desde 1 BHP hasta aproximadamente 900 BHP, en unidades estandarizadas de 5, 10, 20, 40, 100, 200 y mas BHP. Las presiones de operación más comunes son de 150 Psi y 250 Psi aún cuando pueden trabajar a presiones más bajas. Son de bajo costo ya que su fabricación es muy sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos, líquidos y sólidos.

Ventajas:

* Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.

* Mayor flexibilidad de operación.

* Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.

* Son pequeñas y eficientes.

Inconvenientes:

* Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.

* No son empleables para altas presiones.

2. Calderas Acuotubulares:

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera.

Constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera.

Cuando se requieren presiones superiores a 300 Psi se hace indispensable la utilización de las calderas acuotubulares aún cuando pueden operar des de 120 Psi en adelante. Las capacidades de estas calderas se acercan a los 10 millones de libras por hora y presiones de 2500 Psi. Las capacidades de estas calderas no se acostumbran a medirlas en BHP, normalmente se expresan en lb/h de vapor producido o en BTU/HORA.

Ventajas:

* Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 o más psi.

* La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y presiones. Este tipo de caldera facilitan el montaje de la misma, da mayor de calidad en fabricación y es más económico.

Inconvenientes:

* Mayor tamaño y peso, mayor costo.

* Debe ser alimentada con agua de gran pureza.

BALANCE TÉRMICO DE UNA CALDERA

La distribución del calor resultante de la combustión del combustible en el hogar de una caldera, se realiza considerando el calor absorbido por el generador de vapor y todas aquellas pérdidas de energía concurrentes en la combustión:

a) Calor absorbido por la caldera:

Q1= msmf (hv-hf)

Siendo:

Q1 = energía absorbida por el agua y vapor por kg de combustible.

mf = peso total de combustible quemado por hora

b) Pérdidas de calor debidas a la humedad del combustible:

La humedad que posee el combustible se vaporiza y abandona la caldera como vapor recalentado y se puede cuantificar a través de la ecuación:

Q2= mm (h''- hf')

En donde

Q2 = pérdidas de calor por kg de combustible quemado.

mm = peso de la humedad libre, expresada en kg por kg de combustible quemado.

h''= entalpía del vapor recalentado a la temperatura de los gases y a una presión absoluta de 0,07 (kgf/cm2) (valor fijo).

hf' = entalpía de líquido a la temperatura a la cual el combustible entra en el hogar.

c) Pérdidas de calor debidas al agua procedente de la combustión del hidrogeno:

El proceso de combustión, es una reacción exotérmica de un hidrocarburo en presencia de oxigeno. El hidrógeno del combustible al quemarse se transforma en agua, la cual abandona la caldera en forma de vapor recalentado; la energía perdida debido a este fenómeno se puede calcular:

Q3=9Hy (h''- hf')

Siendo

Q3 = pérdidas de calor en kcal por kg de combustible.

Hy = peso en kg por kg de combustible.

d) Pérdidas de calor debidas a la humedad del aire suministrado

Normalmente, este tipo de pérdidas de energía son pequeñas en comparación a las otras y se pueden determinar por:

Q4= mv 0,46 tg- ta

Siendo:

Q4= pérdidas de calor en kcal por kg de combustible.

mv = porcentaje de saturación expresado en forma decimal multiplicado por el peso de vapor de agua requerido para saturar 1 Kg de aire seco a la temperatura del aire al entrar al hogar (Tabla de propiedades del aire seco y del aire saturado).

0,46 = valor del calor específico medio del vapor de agua desde tg a ta.

tg = temperatura de los gases de la combustión a la salida de la caldera, en °C.

ta = temperatura del aire al entrar en el hogar, en °C.

e) Pérdidas de calor debidas a los gases de la chimenea secos:

Este tipo de energía es generalmente la más importante y se calcula a través de:

Q5= mdg cp (tg- ta)

Donde:

Q5= pérdida de calor en Kcal por Kg de combustible.

mdg = peso de los gases secos a la salida de la caldera, en Kg por Kg de combustible.

cp = calor específico medio de los gases secos (0,24 Kcal/kg °C).

f) Pérdidas de calor debidas al combustible gaseoso sin quemar:

Este tipo de pérdida de energía es pequeña y normalmente ocurre cuando se tiene combustión incompleta, es decir, el aire se suministra en cantidad insuficiente, por lo que parte del carbono del combustible forma CO; esta energía puede ser cuantificada por:

Q6= XCOXCO2+ XCO*5689,6* C1

Siendo:

Q6 = pérdidas de calor en Kcal por Kg de combustible.

XCO, XCO2 = porcentajes en volumen determinados por análisis de los gases de los humos.

C1 = peso del carbono realmente quemado por Kg de combustible.

g) Pérdidas de calor debidas al combustible sin consumir contenido en las cenizas y escorias:

En el proceso de combustión, ocurre que parte del combustible, sin quemar o parcialmente quemado, cae en el cenicero; produciendo una pérdida de calor que puede ser calculada por:

Q7= 8148 mr Crmf

Siendo

Q7 = pérdidas de calor en Kcal por Kg de combustible.

mr= peso en cenizas y escorias, en (Kg/h).

Cr = peso del carbono, en kg por kg de ceniza y escorias.

h) Pérdidas de calor debidas al hidrógeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras pérdidas:

Estas pérdidas se determinan a partir de las energías calculadas en los puntos desde (A) hasta (G) y la potencia calorífica del combustible, esto es:

Q8=pot.cal. - (Q1+ Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7)

La consideración de todas estas pérdidas de calor en el proceso de combustión es cuantificada en el concepto de rendimiento de la caldera [Mc.Cabe et ál. 1993]

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE VAPOR DE LAS CALDERAS

El proceso de transmisión de calor que ocurre en una caldera es un proceso de flujo constante, en el cual el calor transmitido es igual a la variación de entalpía del fluido, lo cual se puede expresar como:

Qproducido caldera = mv (hv- hf)

En donde

Qproducido caldera = calor producido en la caldera.

mv = peso de vapor seco producido por la caldera.

hv = entalpía de 1 Kg de vapor a la presión y título o temperatura observados, (Kcal/Kg) o (KJ/Kg).

hf = entalpía del líquido de 1 Kg de agua de alimentación en las condiciones que llega a la caldera, (kcal/kg) o (kJ/kg) [Severns et ál., 1982]

RENDIMIENTO (EFICIENCIA) DE UNA CALDERA

Un diseño adecuado de caldera debe privilegiar la transferencia de calor, de manera tal que el fluido capture la mayor cantidad de energía de la nominalmente disponible por el combustible. Una forma simplificada de calcular el rendimiento o eficiencia de la caldera es:

Rendimiento térmico caldera=η energía capturadaenergía nominalmente disponible

Donde:

Energía capturada = mvap (hv- hf)

Energía nominalmente disponible = mcomb*PC

Estos términos se definen como:

η = rendimiento del generador de vapor, en %.

mV = peso de vapor seco producido por la caldera, en (Kg/h)

mcomb = peso total de combustible quemado por hora.

hv = entalpía de 1 kg de vapor a la presión y título o temperatura observados, (Kcal/Kg)

hf = entalpía del líquido de 1 kg de agua de alimentación en las condiciones que llega a la caldera, (Kcal/Kg).

PC = potencia calorífica del combustible, en (Kcal/Kg).

La eficiencia de una caldera puede optimizarse mediante:

* Mejoras en la combustión sistema de quemado.

* Procurando una temperatura de gases a la chimenea lo más baja posible, en ningún caso inferior a 180°C, para conservar el tiro y no promover pérdidas exageradas.

* Disponiendo aislaciones térmicas.

* Utilizando economizadores y/o precalentadores de aire.

* La limpieza y mantención periódica.

* Uso de agua blanda para evitar incrustaciones.

El diseño de una caldera debe responder eficientemente a condiciones de operación preestablecidas (producción de vapor y presiones del mismo), luego cualquier funcionamiento en condiciones distintas a los parámetros de diseño lleva a una disminución del rendimiento [Shield, 1998].

POTENCIA DE UNA CALDERA

La capacidad de una caldera se puede expresar en términos de potencia, es decir, en HP; utilizando la ecuación que se indica a continuación:

HPcaldera = mv (hv- hf)543,4*15,66

En esta ecuación mv , hv y hf, tienen el mismo significado definido anteriormente [Mc.Cabe et ál, 1991].

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE UNA CALDERA

La capacidad de generación de vapor de una caldera, se da frecuentemente en libras de vapor por hora, pero como el vapor a distintas presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energía, este sistema no mide exactamente la energía producida. Por lo anterior la capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma de calor transmitido a través de su superficie en BTU/Hora. Para unidades pequeñas se utiliza el concepto de caballo de calderas o BHP (Boiler Horse Power), el cual equivale a 33.475 BTU/h [Mc.Cabe et ál, 1991].

SELECCIÓN DEL TIPO DE CALDERA A UTILIZAR

A la hora de escoger la caldera apropiada para una determinada Industria, lo primero es tomar en cuenta a qué tipo de trabajo será sometida. Además, se deben conocer las características de la caldera que se desee ocupar. Algunos de los datos que se deben tener en cuenta son:

* La potencia de la caldera.

* El voltaje que ésta requiere.

* El tipo de combustible que esta necesita para trabajar.

* La demanda de vapor que se requiere y la calidad de éste, etc.

Existen varios factores importantes al momento de elegir una caldera, tales como:

* Capacidad de consumo de la Industria.

* Capacidad de la caldera.

* Capacidad de la turbina / generador.

La selección del tipo de caldera más adecuado y económicamente eficiente para una instalación industrial se hace más fácil cuanto menos cueste el combustible y la mano de obra. El rendimiento térmico influye en el gasto de combustible, pero no es lo más importante para la economización de la caldera, pudiera ser que una caldera de elevado rendimiento térmico, sea poco rentable por sus costos de mantenimiento y funcionamiento. La cantidad de malos resultados obtenidos con gran número de unidades reducidas no se deben a defectos de construcción como al uso del combustible inadecuado, a falta de tiro o al mal funcionamiento. Esto nos puede pasar con cualquier tipo de caldera, y solo se puede solucionar con personal especializado y con la mejora de instrumentos y aparatos de los que se espera unos resultados más económicos.

Los parámetros que intervienen a la hora de elegir una caldera son:

* Combustible y tiro.

* Agua de alimentación.

* Presión, potencia evaporadora.

* Funcionamiento y mantenimiento.

* Localización de la unidad.

* Características de la carga.

* Diseño de quemadores.

* Calidad del agua de alimentación.

* Variaciones previstas de la carga [Gooding, 1998].

DISEÑO DE CALDERAS

El problema básico del diseño de una caldera, consiste en disponer la superficie total de absorción de calor de una manera tal, que extraiga el calor máximo obtenible del combustible y de los productos de la combustión. Al mismo tiempo aparece el problema económico de obtener la máxima eficiencia al costo mínimo posible.

* Necesidades de Servicio: Para servicios de calefacción y procesos industriales, las consideraciones principales son, generalmente, en el orden de importancia que se enumeran:

1. Seguridad en el servicio.

2. Costo de adquisición.

3. Entrega inmediata.

4. Eficiencia.

5. Costo de operación.

6. Servicio adecuado.

* Características de la Carga: Para el diseño de una unidad generadora de vapor, es necesario determinar las siguientes características de la carga:

1. Carga mínima, normal y máxima.

2. Duración de cada una de esas fases de la carga.

3. Factor de la carga.

4. Naturaleza de la carga, constante o intermitente.

El diseño determinará la capacidad de la caldera para sostener una carga normal con una eficiencia alta.

* Características del Combustible: Las bases para el diseño de los mecanismos destinados a quemar, son determinados por las cualidades del combustible que se va a ocupar, teniendo en cuenta su valor calórico y sus propiedades. Además se deben investigar las propiedades de las cenizas, incluyendo: Punto de fusión de la ceniza, pérdidas por combustible no quemado y presencia de azufre, vanadio y otros elementos extraños.

* Sistemas de Combustión: Los combustibles sólidos se queman en fogones mecánicos o en parrillas, en forma de polvo o triturados. Los quemadores de aceite combustible se obtienen en numerosos tipos que incluyen: Vaporización, Rotatorios, de Cañón y Atomización por vapor o por aire.

La capacidad del equipo de combustión o el tamaño de la parrilla, determina la cantidad de combustible aplicable. Cada método de combustión tiene sus propias peculiaridades de diseño.

* Flujo de los Gases: Para mantener la combustión es indispensable suministrar aire y desfogar los productos de la combustión. La corriente necesaria de los gases es originada por la diferencia de presiones entre el fogón y el punto de escape de los gases de la caldera, o sea el tiro; éste se puede conseguir por medios naturales (efecto de chimenea) o por los medios mecánicos (ventiladores). El tiro por elementos mecánicos puede ser originado por ventiladores de tiro forzado, de tiro inducido, o de ambas cosas a la vez.

* Agua de Alimentación: El agua que se introduce a la caldera para ser convertida en vapor, recibe el nombre de agua de alimentación. Si se trata de condensado que es recirculado, habrá pocos problemas. Pero si es agua cruda, probablemente habrá necesidad de liberarla de oxígeno, precipitados, sólidos en suspensión, sustancias incrustantes y otros elementos contaminantes.

Para obtener eficiencias altas, el agua de alimentación es calentada, generalmente, por medio de economizadores.

* Fogón: La cámara de combustión debe tener el espacio suficiente para contener la flama. La forma del fogón se guía por el tipo de combustible a emplear y por el método seguido para quemarlo. Es necesario tomar las debidas providencias para mantener la ignición y la combustión de los gases volátiles.

* Fondo del Fogón: La recolección y el retiro de las cenizas de una unidad alimentada con carbón mineral, es una operación laboriosa. Los desechos pueden ser removidos a mano en las calderas pequeñas o recolectados en tolvas en las grandes.

En algunas calderas de gran tamaño, es desfogada la escoria fundida por sangrías.

* Operación de la Caldera: La función principal de la caldera propiamente dicha, es proporcionar un medio por el cual el calor procedente de la combustión se transmita al agua o al vapor que debe ser calentado.

La transmisión de calor no solamente tiene que ser económica, sino también libre de defectos. Es una condición indispensable que una caldera sea fácilmente accesible para su mantenimiento, manejo y reparación por parte de su personal normal de operación.

* Inversión: Las apreciaciones de la inversión comprenden los siguientes puntos:

3. Costo inicial del equipo.

4. Costo del combustible.

5. Mano de obra y materiales necesarios para la operación, mantenimiento y reparaciones.

6. Costos relacionados con la unidad tales como la fuerza necesaria para el bombeo y los ventiladores, dispositivos para el manejo de cenizas, etc.

7. Duración prevista del equipo [Kohan, 2001].

CONSIDERACIONES AL MOMENTO DE USAR UNA CALDERA

Seguridad en Calderas:

Los trabajadores que usan y hacen el mantenimiento de las calderas saben que éstas son potencialmente peligrosas. A su vez, la correcta manipulación de una caldera asegurará una mayor vida útil de la misma. Por estas razones, es necesario seguir las siguientes recomendaciones:

* Sólo trabajadores autorizados y debidamente capacitados deben operar las calderas.

* Los trabajadores deben conocer bien el manual de operación y las instrucciones del fabricante de la caldera.

* Los operadores de calderas deben inspeccionar las calderas con frecuencia en búsqueda de posibles fugas, combustión correcta, funcionamiento de los dispositivos de seguridad e indicadores, así como otras funciones.

* Muchas calderas antiguas, así como las tuberías de vapor o agua caliente pueden tener recubrimientos aislantes, enrollados o forros de asbesto. Los trabajadores deben inspeccionar esas áreas periódicamente para asegurarse de que los materiales no estén dañados, que no se estén descascarando y que no estén deteriorados.

* Deben reportarse la existencia de materiales dañados y deben repararse o eliminarse de inmediato por un contratista certificado para trabajos en asbesto. Indicios de superficies rajadas, prominencias, corrosión u otras deformidades deben ser reparados de inmediato por un técnico autorizado. Los registros detallados de la operación y el mantenimiento de la caldera pueden ayudar a resguardar su seguridad.

* Las calderas deben siempre conectarse lentamente, y nunca se debe inyectar agua fría a un sistema caliente. Cambios súbitos de temperatura pueden torcer o quebrar la caldera. Debido a que muchas calderas queman gas natural, combustible diesel o petróleo, es necesario tomar precauciones especiales.

* Los operadores de calderas deben asegurarse de que el sistema de combustible, incluyendo las válvulas, tuberías y tanques, esté funcionando correctamente y sin fugas.

* Para prevenir explosiones en la caldera, es necesario que los operadores purguen la caldera antes de encender el quemador.

* Los sistemas de ventilación también deben inspeccionarse y mantenerse para asegurar que los gases producto de la combustión no se acumulen en la sala de calderas.

* El área que rodea a la caldera debe mantenerse libre de polvo y desperdicios, y no se deben almacenar materiales combustibles cerca de ninguna caldera. Los pisos a menudo son de concreto sellado y pueden ser resbalosos cuando están mojados.

* Debido a que las calderas tienen superficies calientes, debe haber suficiente espacio a su alrededor para que los trabajadores puedan moverse en la sala de calderas.

* Las salas de calderas pueden ser ruidosas, por tanto el área debe ser identificada como tal y los trabajadores deben usar protectores para los oídos cuando trabajen dentro de ella.

Problemas en Calderas:

Para un óptimo desempeño y nivel de eficiencia, las calderas industriales necesitan de un buen mantenimiento, y en caso de dañarse, de un adecuado servicio técnico. A continuación se detallan los problemas más frecuentes que este tipo de dispositivo padece:

La corrosión y oxidación es muy común si la caldera no está confeccionada en acero inoxidable o un material confiable; también sufren de arrastre, formación de espuma, incrustaciones, contaminaciones del vapor y del condensado, formación de lodos y mala transferencia del calor.

Cuando las calderas industriales padecen de incrustación se produce una reducción de la eficiencia en la transferencia del calor, se aumenta la presión del cabezal y el consumo del combustible; debido al sobrecalentamiento, las piezas que componen a las calderas industriales se deforman y provocan fallas que inducen a fugas y explosiones. La corrosión, por su parte, es producida por los bajos valores de PH (inferiores al 11.5) y a la presencia de acidez, cuando estamos en presencia de este mal, las piezas metálicas se “afinan” y se forman depósitos aislantes en las tuberías provocando una alteración del agua. La oxidación es provocada por un alto nivel de oxígeno presente en el agua mientras que la formación de lodos se genera cuando se rompe el equilibrio entre el contenido de los STD y el residual de diversos tratamientos térmicos; los lodos taponan las tuberías hasta llegar a obstruirlas [Kohan, 2001].

APLICACIONES DE LA CALDERA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, la caldera es muy utilizada en la industria de alimentos, especialmente en tratamientos térmicos para la preservación de alimentos.

Los Tratamientos Térmicos y la Preservación de Alimentos

Se emplea el calor para impedir el crecimiento de los microorganismos aplicando temperaturas adecuadas para su destrucción o manteniéndolos a temperaturas algo por encima de las que permiten el desarrollo microbiano, como sucede cuando se mantiene caliente la comida después de su preparación, en espera de proceder a servirla. También pueden tener efectos antibacterianos los tratamientos térmicos a que se someten los alimentos persiguiendo otros objetivos.

Cuando se pretende utilizar el calor para la destrucción de los microorganismos presentes en los alimentos, se puede recurrir a diferentes procedimientos:

* Escaldado: Inactivación enzimas, y algunos Microorganismos (MO).

* Pasteurización: Eliminación de MO patógenos. Se combina con la refrigeración.

* Esterilización: Eliminación completa de MO.

1. Escaldado

Es un tratamiento térmico empleado para la destrucción de la actividad enzimática. Se emplea en verduras y frutas como paso previo a otros procesos: no constituye un único método de conservación, sino que es más un pretratamiento entre la materia prima y las operaciones posteriores. Suele ser previo a esterilizaciones, congelación y deshidratación.

2. Pasteurización:

Es un tratamiento térmico relativamente suave (a temperatura inferior a los 100 ºC). Lo que se va a conseguir es un aumento de la vida útil de un producto (por ejemplo, varios días para la leche y hasta en varios meses para las frutas).

3. Esterilización:

Es un proceso en el que un alimento se calienta a una temperatura y tiempo lo suficientemente altos como para que se consiga una control del crecimiento microbiano. De esta manera, se obtienen productos con vida útil muy prolongada, superior a seis meses en general. [Casp, 2004].

FABRICACIÓN, VENTA Y DISTRUBICIÓN DE CALDERAS

Debido a su gran utilidad, el uso de caldera está completamente masificado en las Industrias de todo el mundo. En el mercado existe una amplia variedad de calderas de vapor, de la mano de diversos proveedores y fabricantes.

Por ejemplo, en Chile son varias las empresas que se dedican al diseño, fabricación, venta y/o importación de calderas:

* Calderas Chile Ltda.

* Thermal Engineering Ltda.

* Servimet Ltda.

* Abasterm.

* Autoflame Chile.

Elaboración de Base de Datos

Para hacerse una idea de la cantidad de calderas que están a disposición en el mercado, se diseñó una base de datos a partir de la oferta de calderas que ofrece PowerHouse Equipment, una empresa norteamericana especializada en el rubro, que comercializa y distribuye calderas de diversos fabricantes (revisar base de datos, figura 5 en anexo). La base de datos fue elaborada en el programa Microsoft Office Access 2010, a partir de la recopilación de información obtenida del inventario en línea que posee Powerhouse Equipment en su sitio web. En ésta, se puede realizar la búsqueda de un determinado modelo de caldera, de acuerdo a parámetros como: capacidad, presión, combustible que utiliza, fabricante y año de fabricación [Powerhouse Equipment & Engineering, 2011].

Ejemplo:

Calderas |

Unidad | Tipo de Caldera | Capacidad | Presión | Año | Fabricante | Combustible |

F-232 | acuotubular | 750 GPM | 150/150 | 2006 | Bell & Gossett | N/A |

DISCUSIÓN

Este informe permite hacerse una idea de la inmensa utilidad de una caldera y la importancia de ésta en aplicaciones comerciales, domésticas y en Industria, especialmente

en la Industria de Alimentos; pues la caldera es el punto de partida en la producción de energía en la inmensa mayoría de las Industrias.

Es posible notar que todo el funcionamiento de una caldera se basa en principios termodinámicos: la generación del vapor saturado y el intercambio de calor que ocurre dentro de la misma. Es por ello que todo profesional ligado al área de la Ingeniería de Procesos Alimentarios deberá tener conocimientos suficientes sobre Ciencias básicas y Operaciones Unitarias, para así poder operar ésta y otras maquinarias industriales.

Existen diversos tipos de caldera, las que cumplen con los diversos requerimientos existentes en las Industrias. El uso de una u otra dependerá de las características de la Industria, de los procesos que se realicen en ella y del rendimiento que se desee alcanzar. Para ello, en el mercado existen muchas empresas dedicadas a la fabricación y distribución de calderas. Para ilustrar y ejemplificar esta realidad, se ha elaborado una base de datos en el programa Microsoft Office Access 2010, en la cual se incluyen los diversos tipos calderas que ofrece la empresa norteamericana PowerHouse Equipment; éstas fueron clasificadas de acuerdo a sus especificaciones técnicas.

Si bien, las calderas presentan diversos usos industriales, es en la tecnología de conversación de alimentos donde más aplicaciones tienen; pues el vapor producido por ellas, es utilizado en tratamientos términos que favorecen la eliminación de microorganismos nocivos en alimentos.

CONCLUSIONES

Debido a la aparición de industrias que manejan procesos de transferencia de calor, hubo la necesidad de exigir un equipo capaz de generar vapor como fuente de energía calorífica: así fue cómo surgió la caldera. El vapor es actualmente muy utilizado en el sector industrial, comercial y de salud, especialmente para el calentamiento de procesos, en la generación de potencia, generación de energía, en la calefacción de espacios y en especial, en la conservación de alimentos.

En el presente estudio sobre calderas, se ha podido obtener un vasto conocimiento sobre estas maquinarias, y a la vez reflejar la gran importancia que tienen en el trabajo que desarrolla un Ingeniero en Alimentos en la Industria. Además, se ha desarrollado una base de datos en el programa Microsoft Office 2010, a través de la cual se ha podido conocer cuáles son los diversos modelos de calderas que se ofrecen en el mercado, con las especificaciones técnicas que cada una de ellas posee.

Debido a lo anterior, se estableció también lo importante que es que un profesional de la Industria de Procesos Alimentarios tenga un conocimiento adecuado sobre todo lo revisado en este informe respecto a calderas y generadores de vapor, pues de este profesional dependerá la correcta toma de decisiones respecto a la elección, diseño o implementación de uno de estos equipos en la Industria que trabaje, dependiendo de las condiciones, necesidades y características de ésta.

BIBLIOGRAFÍA

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* MC.CABE, Warren; SMITH, Julian; HARRIOTT, Peter. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Mc Graw Hill, 1991, cuarta edición. Sección 3

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* Kohan, A. L. Manual de calderas y principios operativos de: mantenimiento, construcción, instalación, reparación, seguridad. Ed. McGraw-Hill/Interamericana de España, 2000.

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http://www.induambiente.com/productos-equipos-tecnolog-as-y-servicios-para-p/una-historia-paso-a-paso-calderas-y-quemadores.html

* Sistemas de Calefacción. Uso y tipos de Calderas Industriales.

http://www.sistemascalefaccion.com/calderas/industriales.html

* Powerhouse Equipment & Engineering CO INC. Inventario de Calderas. EE.UU.

http://www.powerhouse.com/Espanol/Inventario/index.php

* Thermal Engineering. Calderas. Chile.

http://www.thermal.cl/prontus_thermal/site/artic/20110531/pags/20110531190242.html

* Autoflame, Combustion Management Systems. Equipos. Chile

http://www.autoflame.cl/equipos.htm

* Calderas Chile. Equipos que fabricamos. Chile

http://www.calderaschile.cl/equipos.htm

* Servimet Calderas Industriales. Calderas. Chile.

http://www.servimet.cl/

ANEXOS

Figura 1: Diagrama que ilustra la forma y los componentes de una caldera

Fuente: http://www.ecoplusonline.com/es/spanish/manual.asp

Figura 2: Caldera Industrial

Fuente: http://www.energiasargentinas.com.ar/images/caldera%202.gif

Figura 3: Esquema caldera pirotubular

Fuente: http://www.tecnoficio.com/docs/doc41.php

Figura 4: Esquema caldera acuatubular

Fuente: http://www.tecnoficio.com/docs/doc41.php

Figura 5: Base de datos que incluye diversos modelos de calderas distribuidos por Powerhouse Equipment (fragmento)

Si se desea ocupar la base de datos para realizar una búsqueda de las calderas con una determinada característica, se ingresa el parámetro deseado, por ejemplo, calderas acuotubulares:

En seguida, la base de datos arrojará como resultado de la búsqueda, todas las calderas acuotubulares:

Fuente: Base de Datos Calderas, Microsoft Office Access 2010