INTRODUCCIÓN
La presente investigación trata acerca de la caldera, sus ventajas,
desventajas, funcionamiento y las industrias en la cual se la utiliza con el
objetivo de poder identificar las reacciones que se producen dentro de ella y
de manera gráfica cuáles son sus partes que la componen, pues bien el uso de la caldera es muy
importante para las industrias. La caldera es una máquina utilizada dentro de
la ingeniería con el objetivo de generar vapor saturado y esto se da mediante una transferencia de calor a una
presión contante. Las calderas tienen una gran aplicación en la industria ya
que de ella dependen muchos productos y la utilizan también en los hospitales para esterilizar los instrumentos
médicos, en las petroleras para calentar los petróleos pesados para mejorar su
fluidez, en alimentos, lavanderías, textiles etc.
JUSTIFICACIÓN
La presente investigación se
enfocará en estudiar la caldera analizando teóricamente el funcionamiento de
esta y su impacto en la carrera de ingeniería química. Así el presente trabajo
nos permitirá profundizar los conocimientos teóricos sobre los procesos que se
realizaran en la caldera obteniendo así conocimientos para lo que tendremos que
realizar ya que en nuestra vida como profesionales de la ingeniería química.
Los motivos que nos llevaron a
investigar sobre la caldera se centran específicamente a que nos servirán en el
futuro como se mencionó anteriormente, debido a que en la presente
investigación se pretende conocer todo acerca de la caldera así como el
mantenimiento, funcionamiento, ventajas y entre otras cosas.
OBJETIVOS
OBJETIVO
GENERAL
·
Analizar
teóricamente el funcionamiento de la caldera y su impacto en la carrera de
ingeniería química.
OBJETIVOS
ESPECIFICOS
·
Establecer
de manera gráfica las 4 vistas de la caldera
·
Identificar
las ventajas que tiene la caldera
·
Determinar
una tabla de conversiones con las cotas obtenidas en las vistas mencionadas
anteriormente.
RESUMEN
Se define a la caldera como
un equipo térmico cuya función es
aprovechar la energía calorífica de un combustible, para generar vapor de agua,
que al producir energía es utilizada en procesos industriales. Debido a las
distintas tipos de industrias y funcionamiento, cada una requiere de un tipo de
caldera en especial para un uso específico.
En el presente trabajo se
plantean las características más
importantes de estos equipos, así como las ventajas y desventajas que presentan
estos productos, ya que se deben considerar ciertos factores importantes al
momento de adquirir o manipular estos
aparatos. También se plantean la importancia de las calderas dentro de una
industria, su estructura, funcionamiento
y el tipo de industrias donde se las utiliza debido a su gran versatilidad.
El uso de estos dispositivos ha
llegado ser un elemento fundamental en el sector de producción, es por esto que la realización de este proyecto
investigativo nos permiten llegar a conclusiones claras y precisas que nos
ayudaran a concretar los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de la
misma.
METODOLOGIA
DE LA INVESTIGACION
TIPO DE INVESTIGACIÓN
Para el desarrollo del trabajo se
ha basado en lo siguiente:
Investigación descriptiva
Se
redactará cada uno de los sucesos encontrados en la investigación .Es la
capacidad para seleccionar las
características fundamentales del objeto de estudio se trata de la
investigación acerca de la caldera, su funcionamiento y aplicación, las
ventajas y desventajas de su uso, su estructura y las industrias en las cuales
se las utiliza.
MÉTODOS
Para la investigación del
presente trabajo se ha utilizado los siguientes métodos:
Método inductivo/deductivo:
Porque se parte de un conjunto de casos particulares, es decir que de lo
observado se adquiere los hechos para ser analizados y generalizados. Es decir nos da a entender que las conclusiones
son una consecuencia de la investigación realizada previamente.
Instrumentos
de la investigación
Con
la finalidad de poder obtener información clara de esta investigación, se
utilizara las siguientes técnicas.
MARCO TEORICO
LA
CALDERA
Es una máquina o dispositivo de ingeniería
diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia
de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado
líquido, se calienta y cambia su fase. La caldera es todo aparato de presión
donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en
energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
(Interiano, 2011)
Debido a las amplias aplicaciones que
tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la
industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:
•
Para
la esterilización, era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales
generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en
los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los
cubiertos, así como para elaborar alimentos.
•
Para
calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, la
industria láctea, etc.
•
Generar electricidad a través de un ciclo
Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Cada industria tiene requerimientos
específicos de vapor, por lo que la caldera trabaja con tiempo variable, esta
condición tiene como consecuencia que el consumo de químicos sea distinta para
todos los casos, dicho de otra manera, a menor tiempo de trabajo de la caldera
menor consumo de productos.
ESTRUCTURA
Precalentador: El
vapor parcialmente condensado se lleva al tanque de agua de alimentación, para su
aprovechamiento, mientras que el agua precalentada entra en el economizador del
generador de vapor.
Tablero de control: El
panel de control de una caldera cumple las funciones de encendido, apagado,
cortes por fallas o emergencias en forma automática.
Cámara de fuego: Fogón o caja de
fuego que corresponde a la parte en que se quema el combustible.
Mc Donald: Dispositivo
para conectar y desconectar la bomba de
alimentación de agua, desconectar el quemador al bajar el nivel de agua y
accionar la alarma de bajo nivel.
Quemador: Un
quemador es un dispositivo para quemar combustible líquido, gaseoso o ambos
(excepcionalmente también sólido) y producir calor generalmente mediante una
llama. Habitualmente va asociado a una caldera o un generador para calentar
agua o aire, pero también se usa en procesos industriales para calentar
cualquier sustancia.
Acumulador: Almacenar la energía producida (agua) para así gestionarla de la manera
más eficiente. Con ello ajustamos la curva entre demanda y producción por lo
que mejoramos el rendimiento. Precisamente para las calderas de biomasa es
imprescindible
Cisterna: Es un
depósito subterráneo que se utiliza para recoger y guardar agua
Bomba de presión: Aporta un
incremento a la presión en el interior de caldera y circuito de calefacción.
Filtro de arena son los
elementos más utilizados para filtración de aguas con cargas bajas o medianas
de contaminantes.
Tanque de salmuera o ablandador Este equipo esta diseñado especialmente para eliminar el calcio y
magnesio del agua, que son un verdadero problema en muchas partes, el calcio y
el magnesio es lo que ocasiona el agua dura.
Tanque de diesel: Donde ese
almacena el combustible
Válvulas
de seguridad: Tiene por objeto dar salida al
vapor de la caldera cuando ésta sobrepasa a la presión máxima de trabajo
Chimenea: es
el conducto de salida de los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera,
los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o
molestias a la comunidad. Además, tiene como función producir el tiraje
necesario para obtener una adecuada combustión, esto es, haciendo pasar el aire
necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan
combustibles sólidos.
Cámara de Agua: Es el
volumen de la caldera que esta ocupado por el agua que contiene y tiene como
límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua
durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el
tubo de nivel hacia abajo.
Cámara de Vapor: es el
espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual
se almacena el vapor generado por la caldera
Indicadores
de presión: Toda caldera deberá estar
provista de uno o más manómetros (figura 3), que se conectarán a la cámara de
vapor de la caldera Mediante un tubo que
forme un sello de agua.
Indicadores
de nivel de agua: Toda caldera deberá estar provista,
a lo Menos, de dos indicadores de nivel de agua, independientes entre sí. Uno
de ellos deberá ser de observación directa del nivel de agua, del tipo tubo de
vidrio
FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES DE
CALDERAS INDUSTRIALES
Las calderas son recipientes que trabajan
a presión por medio de la transferencia de calor constante, en la cual los
líquidos calientan y cambia de estado. Hay dos tipos de calderas las piro
tubulares son las que el líquido se encuentra en un recipiente y es atravesado
por tubos por los cuales circulan gases de alta temperatura producto de un
proceso de combustión el otro tipo de caldera se llama agua tubulares son
aquellas en las que le fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante
su calentamiento.
Las calderas tienen una
gran aplicación en la industria ya que de ella depende muchos productos como
hospitales que las utilizan para esterilizar los instrumentos médicos, también
en las petroleras para calentar los petróleos pesados para mejorar su fluidez,
en alimentos, lavanderías, textiles etc. (Martinez, 2010)
El agua utilizada en calderas de agua
caliente y de vapor (para producir éste), necesita normalmente de un
tratamiento previo de descalcificación, etc. para preservar la vida de la
caldera en la que se usen, además de, en ocasiones, purgas continuas de lodos y
espumas que el proceso genera, lo que deriva en pérdidas de energía. Por otra
parte, suele estar a disposición de los usuarios con facilidad y en abundancia.
Toda caldera estará equipada con uno o más
tubos de desagüe, comunicados con el punto más bajo de la caldera y destinados
a las purgas y extracciones sistemáticas de lodos.
La descarga de los tubos de purga
estará dispuesto en tal forma que no presente peligro de accidentes para el
personal y sólo podrá vaciarse al alcantarillado a través de un estanque
intermedio de retención o de purgas.(Escobar 2012)
Este estanque de retención debe reunir las
siguientes condiciones: a) Será fácilmente accesible para su inspección y la
extracción de los lodos. b) Las tapas o puertas de inspección tendrán un ajuste
tal que eviten escapes de vapor. c) El estanque estará provisto de un tubo de
ventilación metálico, con salida al exterior de la sala. d) El diámetro del
tubo de escape a la atmósfera debe ser mayor que el diámetro del tubo de purga.
e) Llevará una válvula en la parte más baja que permita vaciar toda el agua
purgada de la caldera, cuando sea necesario
Otro asunto sobre las
calderas industriales es que necesitan de un buen combustible, éstos están
caracterizados por un alto poder calorífico, un grado específico de humedad y
un porcentaje de materias volátiles y cenizas. (Cambal, 2013)
Es necesario analizar los combustibles que
vamos a utilizar en cada dispositivo, el análisis químico es el que nos permite
distinguir los elementos que forman parte del combustible; debe haber una
exactitud correcta entre las mezcla “aire-combustible” de lo contrario no sólo
puede dañarse la caldera industrial sino que pueden producirse serios
accidentes. Es necesario tomar todas las precauciones necesarias antes de
manipular estos artefactos como sus fuentes de energía.
REACCIONES QUE SE PRODUCEN DENTRO DE LA
CALDERA
La figura 4 muestra
los sólidos habitualmente presentes en una caldera, y el efecto del calor.
Nótese que los bicarbonatos constituyen la alcalinidad del agua. Sin embargo,
como consecuencia de la temperatura, se producen reacciones que precipitan
CaCO3 e Mg (OH)2, y liberan CO2. También producen Na2CO3 e NaOH, ambos constituyentes de la
alcalinidad del agua de la caldera. Elevados tenores de alcalinidad producen
severos problemas de corrosión.
IMPORTANCIA
DE LA CALDERA
Para comenzar debemos definir en primer
punto ¿qué es una caldera? Una caldera es una
máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor
saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión
constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y
cambia de estado. (Loaiza, 2011)
Tal como se lo
dice la importancia de la caldera, se debe al tipo y utilidad a la que se
desempeñe en ésta.
Existen
varios factores importantes a tomar en cuenta a la hora de la adquisición de
una caldera como fuente generadora de vapor:
·
Seguridad.
·
Eficiencia.
·
Economía de
operación.
·
Facilidad de
mantenimiento.
·
Existencia
de servicio técnico autorizado en la localidad.
·
Existencia
de repuestos originales en el stock del distribuidor autorizado.
·
Confiabilidad.
·
Buen precio
de reventa.
La idea es simple, alta velocidad de gases
de combustión significa mayor transferencia de calor, sin embargo, los gases
calientes se enfrían en cada paso y por lo tanto ocupan menos volumen, lo que
puede disminuir la velocidad y transferencia de calor. (Chang, 2011)
Resultados:
·
Se mantiene
una velocidad alta y consistente.
·
Cada metro
cuadrado de la superficie del tubo ayuda a proveer una transferencia de calor constante y complejo.
·
Se obtiene
una eficiencia total excelente en cuatro pasos, comprobado con gases de escape
de combustión de baja temperatura.
Combustión eficiente
gracias al diseño original del ventilador de tipo forzado.
Provee aire
de combustión a la presión adecuada, usando un ventilador de tiro forzado,
libre de mantenimiento que elimina la necesidad de:
·
Conductos de
gran diámetro.
·
Chimeneas
altas.
·
Ventilador
aspirador.
·
Compuertas
barométricas.
·
Controles de
aspiración en serie.
INDUSTRIAS DONDE SE
UTILIZAN LAS CALDERAS
·
Desde
el momento en que el hombre descubrió las ventajas del vapor, se ha encargado
de generar muchas técnicas para aprovechar este gran potencial mediante el uso
de calderas. Generalmente son usadas en aquellas industrias que poseen una gran
necesidad de optimización de energía, y en algunos casos suelen ser utilizadas
para el uso doméstico. (Borges, 2014)
·
La
industria de la producción demandas de estos son mayores, muchos de los
procesos usan calderas para la generación de masiva cada vez es más exigente,
cada día se fabrican productos de consumo continuo en mayor volumen ya que las
calor para una gran diversidad de aplicaciones que se podrían dividir por tipos
de industria.
·
La
gran variedad de diseños y tipos de equipos que se ofrecen en la actualidad,
hacen de la selección de la caldera un problema bastante complejo. Pero por
otro lado esta abundancia, ha permitido la obtención de una caldera adecuada
para cada caso.
·
Si en una industria se desea instalar una caldera donde se sabe que el
consumo es irregular, es decir, que hay momentos de gran demanda alternados con
otros de poco o ningún consumo, la caldera más recomendable será una del tipo
de gran volumen de agua.
·
Si se necesita una caldera de alta presión, serán adecuadas las
aguatubulares, las que además producen grandes cantidades de vapor con un alto
rendimiento.
·
Una
de las industrias que más consumen este tipo de energía es la alimenticia, ya
que la parte esencial de sus procesos está basada en el calor para lograr la
cocción, purificación, pasteurización y
esterilización, siendo cada uno de estos procesos más eficientes y seguros
sometidos al vapor.
·
La
industria hospitalaria es otra en la que es común el uso de estos equipos, su
principal función es en la esterilización de instrumentos y entre más grande y
más áreas de trabajo tenga el hospital es mayor la demanda.
·
La
industria de bebidas alcohólicas es también un gran consumidor de equipos
caloríficos de grandes dimensiones y poder, aquí es muy común su uso en la
aceleración de la fermentación y en el proceso de cocinado de la materia
orgánica base del producto.
·
En la industria de procesos químicos y
farmacéuticos, como la destilación, rectificación, extracción, absorción,
síntesis o refinamiento se requieren tanto grandes cantidades de calor, con un
alto nivel de temperatura.
·
Hoy
en día existen numerosas innovaciones que permiten aprovechar al máximo la
energía generada por estos equipos, en muchas de ellas no solo se aprovechan
los vapores, también es posible aprovechar los residuos de combustible,
principalmente en las que están adaptadas para el consumo de energías
renovables, existen sistemas en lo que la energía es generada por algún
componente natural, tal es el caso del uso del bagazo de residuos orgánicos en
el que las cenizas procesadas sirven como fertilizantes.(Cambal,2013)
VENTAJAS
Dentro de los tipos de calderas citaremos a continuación las calderas piro tubulares o
de tubos de humo y las calderas acuotubulares o de tubos de agua con sus
respectivas ventajas.
Ventajas de calderas acuotubulares:
ü La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder
trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.
ü Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
ü Por su fabricación de tubos de agua es una caldera
“INEXPLOSIBLE”.
ü 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.
ü El tiempo de arranque para producción de vapor a su
presión de trabajo no excede los 20 minutos.
ü Los equipos son fabricados con materiales que cumplen
con los requerimientos de normas.
ü Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para
su operación automática.
ü Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo,
gas y diesel.
ü Sistemas de modulación automática para control de
admisión aire-combustible a presión.
ü 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.
Dada su menor capacidad de agua, la caldera acuotubular puede utilizarse
en diversos países como lo que se denomina, caldera producto“; es decir, su
instalación puede llevarse a cabo más fácilmente . (N.N, Junio 1984)
Ventaja de calderas piro tubulares o de tubos
de humo
ü La calidad del agua da menores exigencias, su posible
funcionamiento con salinidad del agua
ü En cuanto al mantenimiento es fácil de limpiar, con
respecto de revisiones periódicas su
inspección es ordinaria, seguida de una prueba hidrostática, raramente
son necesarias otras pruebas de carácter no destructivo, como por ejemplo las
mediciones con ultrasonidos, en caso contrario se efectúan en zonas muy
reducidas
ü Costes para niveles comparables de gasto de
fabricación y calidad no son tan alto
ü Tienen un rendimiento mayor, de fácil mantenimiento,
ü Se puede aprovechar el control del quemador cuando
caiga por debajo de la carga mínima, el quemador puede apagarse sin problemas.
ü Tiene mayor contenido de agua debido a su diseño,
Debido al alto volumen de agua, no es susceptible a las fluctuaciones de
presión y carga.
ü Tiene necesidades de espacio reducidas y un tiempo
necesario para el montaje y puesta en marcha inicial reducida.
Un aspecto importante
ha sido la introducción de la prueba hidrostática con presiones de prueba
incrementadas, que constituye un método sencillo y a la vez muy fiable de
evaluar el estado y la seguridad de las calderas pirotubulares (W, Junio 1997
) .
Las normas citadas y
los nuevos equipos han hecho posible la utilización de calderas pirotubulares
en Alemania sin accidentes de importancia durante más de veinte años. Lo
anterior no se aplica totalmente a otros diseños de caldera (Diwok, Marzo 1996).
DESVENTAJAS DE LA CALDERA
Debido al pequeño volumen
de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de
vapor, siendo necesario hacerlas funcionar a mayor presión de la requerida.
(Tirado, 2011)
Inconvenientes
1.
Los rendimientos de
las calderas de biomasa son algo
inferior esa los de las caderas que usan un combustible fósil líquido o
gaseoso.
2.
La biomasa posee menor
densidad energética, lo que hace que los sistemas de almacenamiento sean
mayores.
3.
Los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas son
más complejos y requieren unos
mayores costes de operación y mantenimiento.
4.
Los canales de
distribución de la biomasa no están tan desarrollados como los de los combustibles
fósiles.
5.
Muchos de estos recursos tienen
elevados contenidos de humedad, lo que hace que en determinadas
aplicaciones pueda ser necesario un proceso previo de secado.
6.
Deben
ser alimentadas con agua de gran pureza, ya que las incrustaciones en el
interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de
los mismos.
7.
Entre otras desventajas que existen en los generadores de calor son los
índices de riesgos tales como:
1.-Aumento súbito de la presión:
Esto sucede generalmente cuando se
disminuye el consumo de vapor, o cuando se descuida el operador y hay exceso de
combustible en el hogar o cámara de combustión.
2.-Descenso
rápido de la presión:
Se debe al descuido del operador en la
alimentación del fuego.
3.-Descenso
excesivo del nivel de agua:
Es la falla más grave que se puede
presentar. Si este nivel no ha descendido más allá del límite permitido y
visible , bastará con alimentar rápidamente, pero si el nivel ha bajado
demasiado y no es visible, en el tubo de nivel, deberá considerarse seca la
caldera y proceder a quitar el fuego, cerrar el consumo de vapor y dejarla
enfriar lentamente. Antes de encenderla nuevamente, se deberá inspeccionarla en
forma completa y detenida.
4.-Explosiones:
Las explosiones de las calderas son
desastres de gravedad extrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto
número de personas. La caldera se rasga, se hace pedazos, para dar salida a una
masa de agua y vapor; los fragmentos de la caldera son arrojados a grandes
distancias.
Estos accidentes
desgraciadamente frecuentes, han sido atribuidos durante mucho tiempo a causas
excepcionales y fuerza del alcanza de la prevención, es decir, se les ha
considerado como caso de fuerza mayor. (García, 2009)
CONCLUSIONES:
De acuerdo a los objetivos
planteados en el desarrollo de la investigación podemos concluir que:
·
En base a la
investigación realizado la eficiencia de la caldera, depende de su diseño, y de
la necesidad que quien al use, pues existen diferentes modelos de las misma.
·
Con el modelo de
caldera utilizadas en base a los resultados obtenidos se considera que, las
reacciones químicas que se producen dentro de la caldera generalmente dependen
del diseño de la misma y de lo que se quiera realizar y aprovecha en gran
medida los gases calientes que en ella se ocasiona
·
Estableciendo una
comparación de los cálculos realizados de funcionamientos de calderas según la
temperatura ambiente que la rodea, se puede decir que, la eficiencia es mayor a
menor temperatura ambiente, esto debido a que el diferencial de temperatura es
mayor.
RECOMENDACIONES:
·
Elegir el diseño de la
caldera que más se ajuste a las necesidades de los compradores de servicio.
·
Mantener cuidado con
los gases que resultan de las diferentes reacciones químicas de las calderas.
·
Se recomienda tener la
debida precaución en cuanto a su operación y manejo para evitar posibles
riesgos.
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Genial
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