DISEÑO PROTOTIPO DE CALDERA STIRLING

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA

“DISEÑO PROTOTIPO DE CALDERA STIRLING” STIRLING”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA P R E S E N T A:

JESÚS ARIEL CASTELO FONSECA ANGEL ADRIAN MATEOS AGUILAR COATZACOALCOS, VER.

FEBRERO 2009.

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Introducción ................................................................................................. 5, CAPITULO I Generadores de vapor ............................................................. 7 1.2 Caldera ..................................................................................................... 8 1.2.1Descripción de la caldera .......................................................... 9 1.2.2 Características que definen una caldera ................................. 9 1.3 Partes que conforman una caldera...................................................... 11 1.3.1 Cámara de agua. ...................................................................... 11 1.3.2 Cámara de vapor...................................................................... 13 1.3.3 Hogares .................................................................................... 13 1.3.4 Quemadores ............................................................................. 15 1.3.5 Economizadores ...................................................................... 17 1.3.6 Calentador de aire ................................................................... 18 1.3.7 Alimentadores .......................................................................... 18 1.3.8 Domo ........................................................................................ 18 1.3.9 Recalentador ............................................................................ 19 1.3.10 Material refractario ................................................................ 20 1.4 Zona de Radiación ................................................................................ 21 1.5 Zona de Convección ............................................................................. 22 1.6 Clasificación de caldera ....................................................................... 22 1.6.1 Calderas acuotubulares .......................................................... 22 1.6.2 Calderas pirotubulares ............................................................ 26 1.7 Agua y aire en las calderas .................................................................. 28 1.8 Combustibles para calderas ................................................................ 29 1.8.1 Importancia de la elección de un buen combustible ............ 30 2

1.8.2 Tipos de combustibles para calderas .................................... 31 1.8.3 Tablas de poder calorífico de combustibles ......................... 34 CAPITULO 2 Caldera Stirling ..................................................................... 36 Introducción……………………………………………………………………… 37 2.1 Historia de la economía de la caldera de water-tube de Stirling ....... 40 2.2 Descripción general .............................................................................. 42 2.3 Funcionamiento..................................................................................... 51 2.4 Circulación ............................................................................................. 53 2.5 La caldera Stirling en servicio ............................................................. 55 2.6 Atención y gestión de la caldera Stirling ............................................ 55 Capitulo 3 Funcionamiento, metodología y descripción del prototipo .. 62 3.1 Funcionamiento de la caldera .............................................................. 63 3.1.1 Circuito de agua ....................................................................... 63 3.1.2 Circuito de humos ................................................................... 63 3.2 Metodología................................................................................. 65 3.3 Descripción del prototipo ......................................................... 88 3.3.2 Quemadores ............................................................................. 88 3.3.3 Tubos de descenso ................................................................. 89 3.3.4 Tubos de ascenso ................................................................... 89 3.3.5 Tubos horizontales .................................................................. 89 3.3.6 Domos ...................................................................................... 90 3.3.7 Economizador .......................................................................... 92 3.3.8 Pared de ladrillos refractario .................................................. 92 3.3.9 Mampara ................................................................................... 92 3

3.3.10 Purga ...................................................................................... 93 3.3.11 Sistema de agua de alimentaci贸n ........................................ 93 3.3.12 V谩lvula de alivio ..................................................................... 92 3.3.13 Chimenea................................................................................ 94 Conclusi贸n................................................................................................... 95 Recomendaciones ...................................................................................... 96 Bibliograf铆a .................................................................................................. 97 Anexos ......................................................................................................... 98

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Introducción Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa en el nuestro. Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi−humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito.

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El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras−pie/minuto o sea 550 libras−pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.

Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

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CapĂ­tulo I Generadores de vapor 7

1.1 Caldera Las calderas son dispositivos industriales de gran aplicabilidad en la industria a nivel mundial; su objetivo principal es el de generar calor que pueda luego ser aprovechado. El calor es transferido en forma de vapor; el cual puede ser aprovechado para una gran diversidad de usos. El vapor generado se conduce a travez de tuberías, las cuales deben encontrarse aisladas, hacia los diferentes puntos del proceso.

La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en kilogramos de vapor por hora a distintas presiones y temperaturas. La capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma del calor total trasmitido por las superficies de caldeo en Kcal por hora.

El comportamiento de un generador de vapor puede expresarse en función de los kilogramos de vapor producidos, velocidad de combustión, transmisión de calor en Kcal por metro cuadrado de superficie de caldeo y por hora, temperatura de los gases de la chimenea, porcentaje de

en dichos

gases, combustible sin quemar contenido en las cenizas y escorias, porcentaje de la potencia nominal de la caldera desarrollado, y rendimiento global (relación entre el calor transmitido y la energía suministrada en forma de combustible) .

1.1.1 Descripción de la caldera La caldera es uno de los componentes más importantes de una instalación de calefacción.

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El calor se trasmite al fluido interno existente en la caldera, mediante la combustión de un compuesto sólido (carbón,...), líquido (gasóleo,...) o gaseoso (propano,...). El fluido normalmente utilizado es el agua.

Existen en la caldera tres zonas de diferente temperatura: la cámara de combustión, las paredes del circuito de humos y el agua.

El calor se transmite de las tres maneras: radiación, convección y conducción. La llama emite el calor mediante radiación, sin estar en contacto con las paredes. La convección se produce al desplazarse los gases de combustión por todo el circuito de humos. Por conducción se transmite el calor de las paredes al agua del circuito, que mediante el desplazamiento de sus moléculas (convección), transmite el calor por todo el sistema.

Las partes principales donde se produce el intercambio de calor son la cámara de combustión, lugar donde se quema el combustible, y el circuito de humos, que es el camino que recorren los gases de combustión a través de la caldera. Éste puede ser más o menos sinuoso debido al diseño de la caldera. La temperatura de la llama y de los gases de combustión en esta zona alcanza, dependiendo principalmente de la naturaleza y la relación combustible-aire, hasta los 1.800ºC y la temperatura de salida de humos suele oscilar entre 180ºC y 250ºC.

1.1.2 Características que definen una caldera A la hora de seleccionar una caldera es necesario conocer una serie de características que la definen y que permiten, o no, su utilización en cada caso particular. Entre estas características, o parámetros, que definen una caldera, merecen destacarse los siguientes: 9

a) Potencia térmica

Deben diferenciarse dos valores distintos, la potencia térmica nominal que es la energía máxima aportable en el hogar de la caldera por unidad de tiempo y la potencia térmica útil, que es la máxima energía que puede absorber el fluido caloportador en la caldera, por unidad de tiempo.

La diferencia entre la potencia nominal y la útil, representa las pérdidas de la caldera, en parte por disipación al ambiente que la rodea y en parte a través de los gases de combustión a la atmósfera. Al cociente entre ambas potencias se le denomina rendimiento o coeficiente de eficacia, siendo siempre inferior a la unidad.

b) Superficie de calefacción

Se denomina con este nombre a la superficie de intercambio de calor en contacto con el fluido caloportador, recibiendo el nombre de superficie de radiación a la zona en contacto con la llama y superficie de convección a la que se encuentra en contacto con los gases de la combustión.

c) Presión

La presión a la que está sometida una caldera es un parámetro definitorio de la misma. Reglamentariamente se distinguen:

Presión de diseño. La utilizada como base de cálculo al establecer la resistencia de los elementos constituyentes de la caldera.

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Presión de servicio. Presión máxima a la que será sometida una caldera al ser conectada a la instalación.

Presión de timbre. Presión a la que una vez fabricada, o en revisiones periódicas, será sometida la caldera para comprobar su estanqueidad.

d) Temperatura

Es otro de los parámetros definitorios de las calderas, pudiendo distinguirse: Temperatura de diseño. Es la fijada como base para los cálculos constructivos (la resistencia de los materiales varía con la temperatura)

Temperatura de servicio. Es a la que estará sometida la caldera una vez conectada a la instalación.

1.2 Partes que conforman una caldera 1.2.1 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 sobrepase en unos 15 cm por lo menos 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.

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Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua.

Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.

Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción.

Como características importantes podemos 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. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.

Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, s{on 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.

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1.2.2 Cámara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. 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.

1.2.3 Hogares Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza.

Los hogares enfriados por agua se utilizan con la mayor parte de unidades de calderas, es decir en su gran mayoría, y para todos los tipos de combustible y métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y, en consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que satisfaga los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación.

Las construcciones de tubos enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar y optimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisoras, para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de 13

combustión. El uso de hogares con enfriamiento por agua reduce las pérdidas de calor al exterior.

Las superficies absorbentes del calor en el Hogar, lo reciben de los productos de combustión, en consecuencia, contribuyen directamente a la generación de vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que sales del mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan en forma simultánea. Estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos que proviene del lecho de combustible o de las partículas de combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor por convección de los gases del hogar y la conducción de calor a través de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficacia de la absorción de las superficies del hogar es influida por los depósitos de ceniza o escoria.

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Fig.1.1 Hogares mecánicos

1.2.4 Quemadores El propósito principal de un quemador es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire de tal manera que se asegure el encendido rápido y la combustión completa. En los quemadores de carbón pulverizado, una parte del 15 al 25% del aire, llamada aire primario, se mezcla inicialmente con el combustible para obtener un encendido rápido y actuar como un medio de

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transporte del combustible. La porción restante o aire secundario se introduce a través de registros en la caja de viento.

El quemador de tipo circular está diseñado para quemar carbón mineral y puede

equiparse

para

quemar

cualquier

combinación

de

los

tres

combustibles principales, si se toman se toman las precauciones adecuadas para evitar la formación de coque en el elemento carbón, si se esta quemando combustóleo y carbón mineral.

Este diseño tiene una capacidad hasta de 165 millones de Btu/h para el carbón, y más elevada para combustóleo o gas.

Fig.1.2 Quemador típico (Shield) 16

1.2.5 Economizadores Un economizador reduce la temperatura de salida de los humos precalentando el agua de alimentación de la caldera. Estos empezaron a usarse mucho antes de que se establecieran científicamente las economías posibles precalentando el aire. Aunque la mayoría de los economizadores no calientan el agua de alimentación hasta la vaporización.

Fig.1.3 Economizador de serpentín continúo

Fig.1.4 Esquema y detalle de un economizador de serpentín

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1.2.6 Calentador de aire Sirve para reducir la temperatura de salida de los humos trasmitiendo su calor sensible, que se perdería, al aire que a de alimentar la combustión, que es obligado a travesar el calentador por medio de un ventilador de tiro forzado.

1.2.7 Alimentadores Casi cualquier carbón mineral puede quemarse con éxito en algún tipo de alimentador; Además, los materiales de desecho y subproductos, como el coque desmenuzado, los desechos de madera, la corteza, los residuos agrícolas como el bagazo y los desechos municipales que pueden quemarse como combustible básico o como auxiliar.

El área requerida para la parrilla, para un tipo y una capacidad dados de un alimentador, se determina por la rapidez máxima permisible de quemado por pie cuadrado, establecida por experiencia. El limite practico de salida de vapor, en calderas con alimentación mecánica del combustible es cerca de 400 000 lb/h.

1.2.8 Domo El domo es un recipiente de configuración horizontal de mayor o menor espesor en función del vapor producido. El tamaño del mismo será necesario para contener los elementos de separación y admitir los posibles cambios de nivel según la carga.

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La misión del domo es acumular en la parte inferior el agua que es distribuida a los distintos colectores de la cámara radiante, y a su vez separar en la parte alta el vapor de las partículas de agua que lleva.

Fig. 1.5 funcionamiento del domo

1.2.9 Recalentador Es la sección de tubos que aprovecha el calor de los gases de escape para elevar la temperatura del vapor generado por encima de la de saturación. El vapor sobrecalentado aumenta el rendimiento del ciclo del vapor. En una turbina, por cada 40ºC de incremento de temperatura sobre la de saturación, se obtiene un aumento del 3% sobre el rendimiento. El vapor sobrecalentado evita condensaciones en las tuberías y a la vez erosiones y desequilibrios en los equipos.

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Fig.1.6 Recalentador de serpentín sumergido en el tambor

1.2.10 Material refractario Son materiales que tienen alta resistencia y estabilidad mecánica e inercia química a temperaturas altas.

El termino Ladrillo refractario hace referencia a aquellos elementos que pueden soportar satisfactoriamente el calor sin sufrir deterioros en su forma, así como resquebrajamientos, es de entenderse, que esta propiedad está vinculada a las cerámicas aun que las mismas tampoco pueden soportar la temperatura de manera infinita.

Se clasifican según su composición en 4 grandes grupos; Los ácidos aquellos que contiene arcilla, sílice y sulfato de aluminio, suelen ser más baratos que el resto y mientras más sílice son más resistentes al metal. La segunda clasificación la hace aquellos denominados como Básicos constituidos por Oxido de Manganeso son más resistentes que los 20

anteriores, pero más costosos, tenemos también los neutros que son elaborados por elementos neutros como la magnesia. Y aquellos denominados especiales constituidos por carburos y circonio útiles por su capacidad de lubricación, eventualmente se colocan elementos cerámicos en todas estas mezclas con el objetivo de mejorar aún más la resistencia mecánica y térmica del conjunto.

Fig. 1.7 Ladrillo refractario

1.3 Zona de Radiación Es el lugar de la caldera donde se produce el calor necesario para la generación de vapor. Esta zona recibe una temperatura aproximada de 1000ºC debido al calor provocado por la llama directa y por los humos de la combustión. Por el lado tubos pasa agua más vapor con una temperatura de salida variable, en función del intercambio de calor y de la temperatura de entrada.

A pesar de que es la zona de mayor temperatura radiante, las paredes de los tubos están refrigeradas por el paso del agua, por esta razón es muy importante que el domo siempre tenga nivel, porque esto querrá decir que los tubos estarán inundados.

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1.4 Zona de Convección A diferencia de la zona anterior, en ésta los humos de la combustión son los que calientan los tubos de agua o vapor. En ningún caso es la llama directa, quién aumenta la temperatura del fluido de proceso. La zona de convección normalmente está compuesta de varios elementos, como son los downcomer, los recalentadores y los precalentadores de aire.

1.5 Clasificación de caldera Las calderas de vapor se clasifican, atendiendo a la posición relativa de los gases calientes y del agua, en acuotubulares y pirotubulares; por la posición de los tubos, en verticales, horizontales e inclinados; por la forma de los tubos, de tubos rectos y de tubo curvados.

1.5.1 Calderas acuotubulares Son aquellas donde el agua se encuentra en tubos donde se calienta por transferencia de calor por conducción. La combustión se da en la cámara destinada a dicha función es atravesada por los tubos de agua, que entonces se calienta y cambia a estado gaseoso. Se utilizan tubos longitudinales para aumentar la superficie de calefacción y se colocan de forma inclinada para que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerza naturalmente la entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando se requiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes potencias fueron muy utilizadas en centrales eléctricas y otras industrias de principios del siglo XX. El vapor producido es de naturaleza seca, por lo que también es ideal para los sistemas de transmisión de calor. Se caracterizaban además por sus dimensiones totales reducidas y por ser 22

originalmente construidas para uso con combustibles sólidos, mientras que son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o diesel. Son idóneas para todos aquellos procesos industriales en los que se requieran altas presiones de vapor, grandes producciones de vapor o ambas condiciones a la vez.

Las calderas acuotubulares pueden clasificarse en tres grupos según la disposición de los tubos de agua y el tipo de circulación:

- De tubos verticales y circulación natural, con los gases de escape circulando horizontalmente a través del banco de tubos del generador de vapor.

- De tubos horizontales y circulación forzada, con los gases de escape circulando verticalmente a través de los bancos de tubos del generador, economizador y recalentador.

- De tubos inclinados y circulación natural, con los gases de escape circulando en sentido vertical ascendente a través del banco de tubos del generador.

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Fig. 1.8 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 vapor por 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 crítico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm).

La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.

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• 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.

• Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.

• Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.

• Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.

• Sistemas de modulación automática para control de admisión airecombustible a presión.

• 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%.

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1.5.2 Calderas pirotubulares Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.

Los gases calientes son forzados para que circulen a través de los tres pasos por el ventilador (1), del quemador de tiro forzado y el aire es controlado por un control ajustable de mariposa.

La cámara de combustión (hogar) constituye el primer paso y los gases calientes al salir de este son desviados por una mampara de refractario (2), para que los gases tomen el segundo paso cediendo más calor al agua, al mismo tiempo que se va reduciendo el área transversal total de los tubos para compensar la reducción de volumen que van teniendo los gases a causa de su enfriamiento al ir cediendo su calor al agua. Luego pasan libremente al tercer paso, o sea la tercera vez que recorren la longitud total de la caldera y de que salen por la chimenea (3) a una temperatura de 80ºC arriba de la temperatura de la del vapor o agua caliente, la cual puede comprobarse con el termómetro (4).

El concreto de la tapa trasera (5) tiene un gran espesor para que haya menor pérdida de calor al ambiente. En esta tapa está incorporada una válvula de alivio (6), de gases que se encargarían de absorber alguna posible sobrepresión.

La puerta frontal tiene menor refractario (7) porque así lo requiere. Ambas puertas tienen bisagras para facilitar su mantenimiento.

En esta caldera el quemador está provisto de una bisagra (8) para facilitar la limpieza de las boquillas.

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Los espejos (9), son las tapas internas en donde van montados, expandidos y ribeteados los fluxes (10), que son tubos rectos, logrando un sello perfecto en los espejos.

Esos espejos van perfectamente soldados al envolvente (11), que es el cuerpo que va a resistir la presi贸n interna de la caldera.

Fig. 1.9 Caldera pirotubular

Fig. 1.10 Circulaci贸n de los gases 27

Las calderas pirotubulares pueden ser horizontales o verticales. En las primeras, prácticamente todo el espacio del cilindro de la caldera está ocupado por tubos, el volumen del vapor se ha reducido al mínimo, usándose un domo para su recolección.

Todos los tubos se encuentran sumergidos, para evitar así las tensiones que se

originan

en

los

tubos

secos

La

caldera

vertical

se

emplea

fundamentalmente cuando existen problemas de espacio.

Estas calderas son adecuadas en instalaciones con potencias de producción menores de 1MW, presión de trabajo inferior a unos 20 bar y capacidad de producción menor de las 20 t/h. Debido al gran volumen de agua que almacenan, presentan el inconveniente de tener un tiempo largo de puesta en régimen.

Capacidad de producción de vapor La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en kilogramos de vapor por hora a distintas presiones y temperaturas. La capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma del calor total trasmitido por las superficies de caldeo en Kcal por hora

1.6 Agua y aire en las calderas El agua del ciclo de vapor debe cumplir requisitos de limpieza en lo que respecta a minerales en disolución, que causan depósitos en los tubos, y sustancias corrosivas (azufre, cloro, hidrógeno libre). Por lo tanto es necesario minimizar las pérdidas de vapor para reducir el consumo de agua.

Esto es particularmente importante en las calderas de inyección directa (Benson) y humotubulares, donde el agua evapora dentro o sobre la 28

superficie de los tubos. El aire para la combustión se alimenta por medio de sopladores de gran capacidad. Es común precalentar el aire aprovechando el calor de los gases de chimenea y/o pasarlos cerca de las paredes inferiores o el piso de la caldera, antes de llegar a los quemadores.

El aire y el combustible se alimentan al hogar por quemadores, orificios circulares en el centro de los cuales se inyecta el combustible. El aire ingresa por el sector anular, que está provisto de persianas ajustables para controlar el caudal de aire.

1.7 Combustibles para calderas Las calderas pueden quemar casi cualquier tipo de combustibles sólidos (carbón, madera, residuos industriales o urbanos), líquido (fuel oil, gas oil, diesel oil) o gaseoso (gas natural, gas de horno petroquímico, etc.).

El calor puede transmitirse por una te las tres formas siguientes:

Conducción: Se dice se transmite por conducción cuando, como consecuencia de una diferencia de temperatura, el calor fluye a través de un sólido desde la zona de temperatura más elevada a la zona de temperatura más baja.

Convección: Se dice que el calor se transmite por convección cuando ello se realiza por el movimiento tal como el flujo de un fluido o de un gas. A veces resulta difícil distinguir entre conducción y convección, ya que con frecuencia ambos procesos tienen lugar simultáneamente.

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Radiación: Es la transmisión de calor a través del espacio desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Es consecuencia de la propagación de ondas de energía de un cuerpo al otro

En una caldera que quema combustible el calor es transmitido por radiación y convección. Un 50 a 70% de la energía calorífica liberada del combustible es absorbida en el hogar.

1.7.1 Importancia de la elección de un buen combustible Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de kilocalorías / kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas.

El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías:

Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etcétera.

Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.

El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la combustión completa.

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Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados.

1.7.2 Tipos de combustibles para calderas GLP = Gas Licuado de Petróleo: Es un líquido, que puede cambiar su estado a vapor (Gas Fluido) Fácilmente.

-No tiene olor ni color.

-Es más pesado que el aire.

-No es tóxico pero en su estado líquido produce quemaduras en la piel -Se compone de derivados del petróleo y gas natural.

GAS-OIL: Líquido de incoloro a amarillento, de olor característico.

Puede desarrollar electricidad estática por agitación o descarga en recipientes. Reacciona con oxidantes fuertes, con riesgo de incendio y explosión. Sus vapores son más densos que el aire, pudiendo inflamarse a distancia.

LEÑA: la utilización del fuego como medio de calefacción. El control sobre él dispuso a voluntad, de un medio practico para resguardarse de los crudos inviernos. Históricamente la leña ha sido el método más tradicional de calefacción, aunque su utilización a cielo abierto siempre resto eficacia a su poder calorífico.

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CARBÓN VEGETAL: De

madera o leña un compuesto de oxigeno,

hidrogeno, carbono y ázoe. Sustancias que se transforman en otras a través de la combustión.

En el carbonífero de los yacimientos de carbón que remontan del período geológico llamado Carbonífero (de aquí le viene el nombre). Suele pensarse que en este período, el quinto de la era Primaria, la vegetación debía de ser particularmente lujuriante.

EL GAS NATURAL •

Es una mezcla gaseosa y combustible que, al igual que el petróleo, es un combustible fósil y se deriva de la descomposición de material orgánico depositado a grandes profundidades por muchos millones de años.

•

Está compuesto principalmente por Metano (CH4), pero tiene una proporción menor de otros elementos, como el Etano (4%), Propano (1%), Butano (0,4%), Nitrógeno (0,9%) y Dióxido de Carbono (1,7%).

•

No es tóxico, pero en altas concentraciones desplaza el oxígeno y puede producir una asfixia.

GAS DEL PETRÓLEO LICUABLE. Son principalmente el propano (C3H8).

Estos gases naturales a la temperatura normal pueden licuarse a presiones absolutas por debajo de 14 Kg por cm cuadrado. Son excelentes combustibles pero por lo regular resultan más caros debido al coste de su manipulación y almacenamiento a presión.

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GASES SUBPRODUCTOS. Ciertas operaciones industriales producen gases aprovechables. El gas de alto horno se recoge después de hacer pasar aire atreves capaz de coque y mineral de hierro. Después de filtrado se utiliza mezclado con gases más ricos o bien con motores de gas.

El gas de horno de coque se produce al calentar carbón bituminoso para obtener coque las materias volátiles del carbón son liberadas por la acción del calor, y casi la mitad de ellas se emplea en calentar el horno. De esos gases se extraen valioso productos químicos durante el proceso de filtrado, azufre, breas y vapores condensables.

PETROLEO. El aceite mineral natural existente a diferentes profundidades, de muchas localidades de la tierra, se denomina petróleo. El petróleo es una mezcla de miles de hidrocarburos cada uno de los cuales tiene sus propiedades químicas y físicas características y su forma molecular.

GASOLINA. Es una mezcla de hidrocarburos líquidos comprendidos entre límites especificados como consecuencia existen buenas y malas gasolinas.

Si bien su potencia calorífica baria ligeramente, la diferencia de calidades puede ser a una propiedad determinada.

Características:

Volatilidad. Se refiere al porcentaje volumen de combustible que se evaporiza a una temperatura dada. Debido a que la gasolina es una mezcla de hidrocarburos, sus varios componentes hierven a diferentes temperaturas.

Numero índice de octano. Es un índice de la capacidad de una gasolina para soportar una presión y temperaturas elevadas sin explotar espontáneamente.

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ACEITES COMBUSTIBLES (FUELS OILS). Esencialmente todos los aceites combustibles se derivan del petróleo y consisten en residuos destilados y mezclas.

ALCOHOL. Se utiliza como combustibles en países que carecen de petróleo pero en cambio disponen de abundantes plantas y materias vegetales de las cuales se puede obtener alcohol mediante el adecuado tratamiento algunos ejemplos de ellos son; alcohol etílico ( de grano ) C2H6O; el metílico ( de madera ) CH4O: el butílico, C4H10O constituyen cuatro tipos de alcohol que pueden utilizarse como combustible. El alcohol tiene buena propiedades antidetonantes siendo su número índice de octano aproximadamente 100

1.8.3 Tablas de poder calorífico de combustibles Tabla 1.1 Poder calorífico del carbón y otros combustibles sólidos

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Tabla 1.2 Poder calorífico de combustibles líquidos

Tabla 1.3 Poder calorífico de combustibles gaseosos

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CAPITULO 2 CALDERA STIRLING

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Introducción La selección de las calderas de vapor es una cuestión que es digna del pensamiento y atención más cuidadosa. Mientras que algunos de los compradores de calderas dan la

importancia sujeta a su propia

consideración, hay muchos que aceptan con entera satisfacción esas calderas con las cuales han tenido experiencia, o hay quienes compraron la más barata después de poco o nada de investigación. Los compradores de la última clase consideran a menudo cuidadosamente la economía y la confiabilidad comparativa de los motores y auxiliares, de modo que en algunas plantas del vapor encontremos ahorros en la economía y de la conveniencia en los motores y los auxiliares, mientras que las calderas pueden ser en eficientes en funcionamiento y deficientes derrochadores en lo esencial de la simplicidad, de la economía y de la adaptabilidad al servicio para el cual se utilizan. Mientras que los ahorros en economías del motor agregan materialmente al primer costo de la planta, la mejor caldera se puede comprar con frecuencia en un costo comparativamente poco sobre de el inferior, y efectuará un mayor ahorro para un aumento dado en costo que podría ser obtenido posiblemente instalando un motor más eficiente.

Los requisitos especiales de cada caso individual deben ser considerados cuidadosamente antes de determinar el tipo general de las calderas necesitadas. Después de que se haya decidido sobre el tipo general de calderas, se deben considerar las características más importantes, que son la seguridad, eficacia, durabilidad y accesibilidad. Caso de igual importancia son la experiencia, la habilidad, la responsabilidad financiera y la reputación de los fabricantes.

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El método de apoyar la caldera debe prever la extensión libre de las piezas bajo cambios de la temperatura sin introducir tensiones desiguales. La circulación debe ser por ejemplo guardar todas las piezas en prácticamente la misma temperatura. Todas las partes de la caldera deben ser tan accesibles para la inspección como para evitar la posibilidad de corrosión oculta.

Los bafles deben ser diseñados de modo que no puedan ser dañados o ser desplazados fácilmente en servicio o por explosiones del gas, y deben ser tan accesibles que si se descubre un defecto pueda ser reparado fácilmente sin quitar los tubos o cualquier parte del ajuste.

El arreglo de tubos debe ser de tal forma que cualquier tubo pueda ser quitado y ser sustituido sin perturbar ningún otro tubo. El espaciamiento debe permitir el paso libre de los gases alrededor de cada tubo para evitar la posibilidad de que los gases sean sofocados o de que los espacios se bloqueen por los depósitos del hollín. Se debe proporcionar la capacidad suficiente del vapor y de agua para asegurar el vapor seco bajo condiciones de carga que varían extensamente.

Las costuras clavadas no se deben colocar en la trayectoria de los gases más calientes. No debe haber posibilidad de bolsas del vapor o de aire en los puntos expuestos al calor intenso. Los tubos que pueden recalentarse en caso del agua baja no se deben utilizar como estancias. Los pernos son completamente desagradables. El único propósito útil para el que un perno sirve en una caldera inmóvil es hacer posible el uso de una forma más barata de construcción. Las válvulas de cheque u otros dispositivos mecánicos delicados no se deben utilizadas en el interior caldera.

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Las superficies planas grandes, permanecidas o no, están entre las características más peligrosas y de otra manera más desagradables de la construcción de la caldera y no se deben utilizar en ninguna caldera, ahora que llevaba el campo común de las altas presiones en plantas modernas del vapor.

Otra objeción a las superficies permanecidas planas está en calderas de water-tube verticales que las superficies planas están generalmente localizadas de tal forma que dan lugar conveniente para que se aloje el polvo del tubo. El polvo del tubo se funde en una masa dura que es difícil de quitar, y que, a causa de su no-conductividad, destruye la eficacia de esa porción de la superficie de la calefacción. Además, tal acumulación aumenta la cantidad de corrosión sin la posibilidad de detección. Las estancias recogen la escala y el fango y aumentan la dificultad y el costo de la limpieza.

La vida de una buena caldera es variable, dependiendo de la atención que recibe, solamente una caldera de water-tube moderna, correctamente diseñada debe ser capaz de estar en funcionamiento en un período largo de años sin la reducción material en su margen de la seguridad y la economía.

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2.1 Historia de la economía de la caldera de water-tube de Stirling La caldera de Stirling primero fue fabricada comercialmente por los International Boiler Company, limitada, de Nueva York, en 1889. Las primeras calderas construidas consistieron en dos tambores superiores y un tambor más bajo,

siendo construido en crudo y dando poco o nada de

atención, en la construcción o la manipulación, a esos detalles de menor importancia que en el agregado hacen para el éxito de una caldera. Petróleo bruto aunque era la construcción de estas calderas, demostraron que el diseño estaba por ejemplo da las grandes posibilidades del desarrollo. Con este hecho establecido, el Stirling Boiler Company fue formado y compró los intereses de los International Boiler Company, limitados, en 1890.

Fig. 2.1 Domos de la caldera Stirling La construcción de la caldera fue elaborada, aunque el principio seguía siendo igual. Un tercer tambor superior fue agregado, el plan del ajuste fueron modificados, y tales mejoras llevadas a cabo como resultaría naturalmente de un esfuerzo sistemático de producir un generador seguro, durable y económico para las condiciones del vapor que varían y que se resuelven en práctica.

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En 1905 el Stirling Boiler Company adquiri贸 otros intereses y se convirti贸 en el Stirling Consolidated Boiler Company. En 1907 la instalaci贸n fabril y el negocio del Stirling Consolidated Boiler Company fueron adquiridos por los Babcock & Wilcox Company.

Fig. 2.2 Elevaci贸n seccional, clasifica "A" de caldera Stirling de

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2.2 Descripción general La caldera de Stirling se construye en un número de diversos diseños, conocidos como clases, para resolver condiciones que varían del espacio y del sitio de la cabeza. Todas las clases están del mismo varían en general profundizando el diseño, de altura y en el número y la longitud de los tubos.

La caldera consiste en tres tambores transversales del vapor-y-agua, sistema paralelo, y conectado con el tambor del fango por los tubos del agua, curvados en cuanto a entre en las hojas del tubo radialmente. El espacio del vapor del tambor de centro es interconectado a los tambores delanteros y posteriores por una fila de los tubos que circulan curvados del vapor y al espacio del agua del tambor delantero por los tubos que circulan agua, el número de estos últimos tubos dependen de la clase de la caldera. El enchufe principal del vapor se pone en la tapa del tambor de centro. Dos válvulas de seguridad independientes también se colocan en la tapa de este tambor, y con una cabeza del tambor una columna del agua está conectada.

Un tubo de alimentación incorpora la tapa del tambor posterior del vapor-yagua en el centro y las descargas en un canal desprendible, por el cual el agua de alimentación es distribuida sobre una anchura relativamente grande del tambor.

Una conexión del escape, o las conexiones, dependiendo del tamaño de la caldera se pone en el fondo del tambor del fango y es extendidas a través de una manga en la pared posterior o lateral, el exterior justo de el cual la válvula de escape está situada.

Las piezas de la presión de la caldera son apoyadas en la silla de montar debajo de cada tambor del vapor-y-agua por una estructura independiente rectangular de acero rodeada de las secciones enteramente de ladrillo.

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LA CONSTRUCCIÓN DEL TAMBOR: cada tambor se hace de una sola hoja del tubo clavada por el regazo correctamente proporcionado o las costuras longitudinales del extremo y de la correa que cubren al tambor. Las cabezas del tambor están hechos de acero forjado, una cabeza en cada tambor que es proporcionado una boca cabida con una placa de acero forjada de la boca y de protectores.

Fig. 2.3 Cabeza del tambor del tambor

Fig. 2.4 Interior de la cabeza

EL TUBO QUE ESPACIA: se deja el espacio suficiente entre los tubos para permitir un paso libre de los gases. Los tubos deben estar lo suficientemente espaciados de modo que cualquier tubo puede ser quitado y ser sustituido sin disturbar ningún otro tubo o el ladrillo.

Después de que se haya quitado un tubo se pasa hacia fuera con una de las puertas construidas en el ajuste para ese propósito.

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BAFFLES: el ladrillo del bafle son azulejos llanos del ladrillo de fuego que se reclinan contra los tubos posteriores de los primeros y segundos bancos, alcanzando en primer lugar del tambor del fango casi a la tapa del primer banco, y en el segundo caso del tambor de centro del vapor-y-agua casi al fondo del segundo banco .

Fig. 2.5 Elevaci贸n delantera parcial y elevaci贸n seccional a trav茅s horno y tambor delantero del vapor

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Un estante colocado cerca de la tapa del bafle delantero desvía los gases en el segundo banco de tubos. Un segundo estante se coloca cerca de la tapa del banco posterior de tubos y desvía los gases en su paso hacia arriba a través de este banco posterior en los tubos, así previniendo el puente entre los tubos y la pared posterior del ajuste de la caldera.

Una cubierta del ladrillo de fuego que se reclina sobre los tubos que circulan del agua entre los tambores delanteros y medios del vapor-y-agua previene los gases que pasan sobre estos tubos. Las presas de desvío dirigen los gases encima del banco delantero de tubos, abajo del banco medio y suben el banco posterior, trayéndolos en contacto íntimo con todas las superficies de la calefacción. Las aberturas del bafle entre los bancos diseñados, así que habrá una distribución apropiada de los productos de la combustión con una cantidad mínima de acción que sofoca, y se pueden ajustar fácilmente a las condiciones del combustible del juego.

Caja de un amortiguador: es una caja equipada con un amortiguador de los movimientos de balanceo o se coloca en la parte superior de la caldera, en la parte trasera del establecimiento o en la pared trasera. En el primer caso, se apoya en soportes especiales que vayan en la caldera de marco de apoyo.

Con este acuerdo, puede ya sea a su vez apoyar una pila de gastos generales o puede ser conectado a un cañón retroproyector. En el segundo caso, el marco regulador está integrado en la pared trasera y es adaptable para cualquier método de conexión trasera del cañón

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LA EXTENSIÓN El fango del tambor es suspendida de todos los tambores del vapor-y-agua por los tubos del agua, haciendo pivotar enteramente libre el ladrillo que fija. La fuga de aire alrededor de los extremos de este tambor es prevenida por el embalaje suave del asbesto entre ella y el ladrillo. Esta construcción, junto con la curvatura de los tubos es necesaria para que ella pueda entrar en las hojas del tubo radialmente, da la disposición amplia y eficiente para la extensión y la contracción. El diseño asegura la igualación cuidadosa y la distribución apropiada de todo el incidente de las tensiones al servicio de la generación del vapor.

El LADRILLO el ajuste de la caldera de Stirling es simple, siendo rectangular en contorno. No se requiere ningunas formas especiales de los ladrillos que no se encontrarán en el mercado abierto para el ajuste, y el trabajo se puede hacer por cualquier ladrillo-masón al corriente del ladrillo del horno y quién puede leer dibujos. El arreglo de las partes posteriores de la posición oblicua del arco es de tal naturaleza que un revestimiento de horno completo se puede instalar que de ninguna manera que disturba el arco de la caldera.

Todas las reparaciones de la albañilería al ladrillo pueden ser hechas sin disturbar las piezas de la presión de la caldera o de sus conexiones.

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Fig. 2.6 Elevación seccional, caldera de Stirling de la clase " s " con babcock y wilcox stoker con recalentador y de la rejilla de la cadena de bayonne

EL HORNO el diseño del horno de Stirling posee muchas ventajas distintivas.

Refiriendo a las ilustraciones será visto que un arco del fire-brick está soltado sobre las rejillas e inmediatamente delante del primer banco de tubos. El espacio triangular grande entre el frente de la caldera, los tubos de fuego y el tambor de ladrillo de la cámara de combustión en los que es posible instalar una cantidad suficiente de la rejilla para resolver los requisitos de las calidades más inferiores del combustible.

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El arco, actúa de una forma similar a la azotea de un horno, calienta cualquier aire admitido sobre la cama del combustible, y los gases destilados del combustible son encendidos por el calor irradiado del arco. Asegura una distribución apropiada de los gases al banco delantero de tubos y previene refrescarse de la caldera por cualquier salida del aire frío cuando se abren las puertas del horno Los gases no entran en contacto con las superficies relativamente frías de los tubos hasta después de que han pasado de los incendios de ladrillo de la cámara de combustión en los que han tenido un amplio espacio y tiempo para estar bien quemados. El horno es fácilmente adaptable a la disposición de combustible, ya sea sólido, líquido o gaseoso.

Fig. 2.7 Parte exterior del horno

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EL FRENTE. La parte delantera es de diseño ornamental, sustancialmente de hierro fundido y acero, y se construye en secciones y atornillados juntos.

Las juntas son colocados de tal manera que permita la aplicación de cualquier fogonero, quemadores de gas o petróleo. Las juntas de expansión para todos y, por tanto, evitar deformaciones y grietas.

ACCESO Y LIMPIEZA DE PUERTAS: para la limpieza de las superficies de calefacción y para el acceso al interior del establecimiento son de ladrillo en el frente, paredes laterales y traseras, en número suficiente para permitir que todas las partes a serán completamente limpiadas por medio de una lanza de vapor y para hacer el exterior de la calefacción de superficies de fácil acceso para la inspección. Todas las puertas de la limpieza asientan firmemente contra el embalaje del asbesto martillado en un surco frente al marco de puerta, de este modo previniendo la salida del aire en el ajuste.

Una puerta circular grande en el ajuste da el acceso al extremo de la boca del tambor del fango. Esta puerta es también asbesto embalado para prevenir fuga de aire.

Fig. 2.8 Puerta de acceso y limpieza

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La LIMPIEZA INTERIOR: del interior de la boca de inspección placas cuatro tambores da fácil acceso al interior de todas las superficies de calefacción para el examen, la limpieza y reparaciones.

Fig. 2.9 Puerta de acceso del tambor del fango Cualquier escala que pueden haber formado en el interior las superficies de los tubos pueden ser removidos por una turbina más limpia de cualquiera de los muchos diseños en el mercado. La manguera a la que se adjunta el limpiador se pasa en el tambor, el operador que ejecuta el limpiador a través de los tubos por medio de la manguera.

Los accesorios de La caldera RACORES consisten en lo siguiente: Conexiones de agua de alimentación y las válvulas se adjunta a la parte posterior del tambor de vapor y el agua.

Las conexiones y las válvulas del escape conectaron con el tambor del fango.

Las válvulas de seguridad en el centro de vapor de agua y el tambor.

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Una columna de agua conectada al centro del tambor, de vapor de agua y se coloca en una posición visible desde cualquier punto por delante de la caldera frente. Una galga del vapor unida al frente de la caldera.

Todos estos accesorios se hicieron sustancialmente de los dibujos y modelos que por el éxito de su servicio durante muchos años se han convertido en estándar con la empresa Babcock Wilcox.

2.3 Funcionamiento El camino de los gases del horno ya se ha indicado. El agua que se alimenta como se indica en la parte trasera de vapor de agua y el tambor, pasa hacia abajo a través de la parte trasera del banco de tubos para el tambor de barro, y desde allí hacia arriba a través del banco frente a la de los tubos de vapor hacia adelante y tambor de agua.

El vapor formado durante el paso hacia arriba a través de la parte frontal se convierte en banco de tubos separados de las aguas en la parte delantera y tambor pasa a través de la fila superior de la cruz o los tubos de vapor en el centro de circulación de vapor de agua y el tambor, desde el punto que pasa a través de seco en la tubería de vapor principal.

El agua de los frenos de tambor pasa a través de la parte inferior o tubos de agua que circulan en el medio de tambor y de allí hacia abajo a través del centro del banco de tubos para el tambor de barro, del que se redacta de nuevo el banco de frente a recorrer su curso. El vapor generado en la parte trasera del banco pasa a través de los tubos de la parte trasera de vapor en el centro de circulación de vapor de agua y el tambor.

La gran capacidad de almacenamiento de agua de los cuatro tambores y los tubos, junto con la gran superficie de separación de las tres de vapor de 51

agua y bidones, así como la disposición por la que el mayor espacio de vapor se encuentra en el vapor de agua y de la que el tambor vapor se toma, se asegura la producción de vapor seco en diversas cargas y condiciones de despido irregular.

La MALA ALIMENTACION DEL AGUA: En su paso hacia abajo "a través de la parte posterior del banco de tubos de alimentación de agua se calienta a tal punto que gran parte de la escala que forman la materia se precipita y se reúne en este banco y en el tambor de barro. Aquí está protegido de las altas temperaturas y se pueden lavar y derrumbados con la frecuencia que exige el caso. Dado que la circulación es relativamente lento en la parte trasera del banco de tubos de un gran porcentaje de la materia que tuvo lugar en suspensión se deposita en el tambor de barro antes de llegar a la parte de la superficie de calefacción sometido a un intenso calor.

Los MATERIALES Y LA EJECUCIÓN los detalles de la caldera de Stirling se han desarrollado después de años de la mayoría de la observación cuidadosa de parte de ingenieros competentes. Los materiales que entran en su construcción son los mejor obtenibles para el propósito especial para el cual se utiliza y se sujetan a la inspección y a las pruebas rígidas. Todas las piezas de la presión tienen un factor de la seguridad de por lo menos 5.

Los MATERIALES Y MANO DE OBRA Los detalles de la caldera de Stirling se han desarrollado después de años de observación cuidadosa por parte de ingenieros competentes. Los Materiales que entran en su construcción son los mejores para obtener los efectos especiales para los que se utilizan y son objeto de inspección y ensayos rígidos. Todas las partes tienen la presión en un factor de seguridad de al menos 5.

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Las calderas son fabricadas por el equipo y las aplicaciones más modernos de la tienda de las manos de una vieja y bien enseñada organización de mecánicos expertos bajo supervisión directa de ingenieros experimentados.

2.4 Circulación AWELL diseñado tubo de agua para la caldera debe poseer un alto grado de perfección la característica importante de circulación definida y positiva.

El efecto de diferentes grados de expansión en diferentes partes de la estructura, de manera destructiva para calderas cilíndricas y tubulares, se elimina correctamente diseñado en un tubo de agua de caldera. La diferencia en la expansión de las distintas partes de una caldera depende de la diferencia en la temperatura de las partes, en consecuencia, mayor es la uniformidad en la temperatura del agua será menor la diferencia de expansión entre las distintas partes de la caldera, como la temperatura de la presión de las partes (cuando el material no es demasiado grueso) debe ser prácticamente la temperatura del agua contenida.

Circulación rápida: asegura la uniformidad de la temperatura del agua y la presión de las partes y, por tanto, impide la desigualdad de expansión y contracción con la consiguiente destrucción de cepas En la caldera de Stirling lleva a la rápida circulación de las burbujas de vapor con la corriente de agua a la superficie de separación de vapor y el espacio, y por lo tanto previene la formación de bolsas de vapor y la consiguiente 53

sobrecalentamiento y la quema de los tubos en los puntos donde más se aplica calor.

La teoría de la circulación, según lo descrito por Geo. H. Babcock, presenta el asunto en una forma clara y más satisfactoria. El debate sobre el tema el "Vapor" es demasiado conocido para exigir la repetición aquí. La distribución se ilustra mediante la aplicación de la llama de una lámpara a una pierna de un tubo en U, suspendido de la parte inferior de un barco lleno de agua, el calor de la llama de la creación de una práctica uniforme, como se indica en la ilustración. Sr. Babcock dice: "Este tubo en U es la representación de la verdadera forma de circulación del agua dentro de un tubo de caldera construido adecuadamente."

La sección de los puntos de vista Stirling-tubo de la caldera de agua en las páginas anteriores, se indicará que el diseño es tal que cumplan plenamente los requisitos uniformes para la circulación como lo demuestra el tubo en U y de las llamas. La parte frontal banco de tubos, sometido a la más intensa de calor, representa la pata de la U-tubo a la llama que se aplica. El uniforme de la circulación hasta la parte delantera del banco de tubos, el agua que circula a través de tubos para el centro de vapor de agua y el tambor y en el centro banco de tubos para el tambor de barro, junto con la baja de la circulación a través de la parte trasera del banco para sustituir a los tubos de agua que se evapora, garantiza una completa y claramente definida la circulación en toda la caldera.

2.5 La caldera Stirling en servicio Las calderas Stirling han estado en operación desde 1890, y su rendimiento desde que el tiempo ha demostrado claramente su derecho a todas las reclamaciones de excelencia que se han hecho para ellos.

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La facilidad con la que la caldera de Stirling se puede limpiar, su eficiencia, y desconcertante sustancial y su flexibilidad en diversas condiciones de carga, han ocasionado que sea ampliamente adoptado en las plantas que representan a prácticamente todas las industrias en todo el mundo. Más de 3000000 caballos de potencia de las calderas Stirling están en uso en la luz eléctrica y plantas de energía, la calle ferrocarril, centrales eléctricas, plantas de extracción de carbón, altos hornos, trenes de laminación, fundición y refino de las plantas, plantas de calefacción e iluminación en las instituciones educativas, ingenios azucareros, fábricas de cerveza, fábricas de algodón, la madera, fábricas de hielo, refinerías de petróleo, y sus industrias conexas.

La caldera de Stirling ha sido totalmente exitosa en el uso de carbón bituminoso y antracita con ambas manos y fogonero de cocción, de lignito de los diversos campos de lignito, el petróleo combustible, madera y aserradero, bagazo verde, corteza, alto horno, horno de coque y gas natural, y el calor residual de los hornos de ladrillos, los hornos de cemento y fundición: hornos.

2.6 Atención y gestión de la caldera Stirling Antes de colocar una nueva caldera en servicio de un cuidadoso y exhaustivo examen debe hacerse de la presión de las partes y la configuración. Este último debe ser inspeccionado para ver las aberturas que el deflector y la distancia del arco a los tubos son las solicitadas por el particular, planos para la instalación en cuestión; que las juntas de los azulejos deflector están directamente detrás de los tubos, lo que el barro golpe de tambor y cañería de despegue son libres de ampliar sin interferir en la paredes, y que todos los ladrillos y el mortero se limpian de la presión y partes. Tirantes debería crearse cómodo y, a continuación, slacked 55

ligeramente hasta que el ajuste se ha calentado a fondo después del primer disparo. Internamente la caldera debe ser examinada para asegurar la ausencia de suciedad, residuos, aceite y herramientas.

Si hay aceite o pintura en la caldera, un montón de ceniza de sosa debe ser superior en cada tambor, la caldera llena a su nivel normal de agua y se inició un fuego lento. Después de doce horas, el fuego se debe permitir que muera, la caldera enfría lentamente y, a continuación, abrir y lavado a fondo.

Esto eliminará todos los aceites y grasas desde el interior de la caldera y evitar la formación de espuma cuando se coloca en el servicio.

La columna de agua de tuberías deben ser examinados y que se sabe que son libres y claro, y el nivel de agua según lo indicado por el medidor de vidrio deben ser controladas por el indicador de apertura gallos.

La caldera de cocción con paredes verde crack invariablemente el establecimiento de ladrillo a menos que esta se seca adecuadamente. Para iniciar este proceso de secado, tan pronto como el ladrillo se ha completado el amortiguador y cenizas hoyo debe ser bloqueado puertas abiertas para mantener una circulación de aire a través de la configuración. Siempre que sea posible, esto debe hacerse durante varios días antes de la detonación.

Cuando esté listo para disparar, la madera se debe utilizar una luz de fuego, gradualmente hasta que las paredes estén bien calientes. Carbón deberían ser despedidos y la caldera en servicio regular.

Una caldera no debe ser cortada en la línea con otras calderas hasta que la presión está dentro de unas pocas libras de vapor que, en el principal. La Válvula de cierre de la caldera debe abrirse muy lentamente hasta que se abre completamente. Se debe tener cuidado para ver que el arreglo de las tuberías es tal que no habrá posibilidad de recoger agua en cualquier bolsillo

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de una caldera y de los principales, a partir de la cual puede ser prorrogado en la línea de vapor, cuando la caldera está cortado pulg.

En el funcionamiento normal de la válvula de seguridad y el vapor de vía deben verificarse a diario. La presión de vapor debería elevarse lo suficiente como para provocar que el golpe de válvulas de seguridad, momento en el que el vapor de vía debe indicar que la presión de la válvulas de seguridad son conocidos por ser establecido. Si no es así, es un error y en el indicador a la vez debe ser comparado con un conocido de la exactitud y la discrepancia rectificado. La columna de agua debe ser derrumbados a fondo al menos una vez en cada turno y la altura del agua como lo demuestra el indicador de cristal de apertura marcada por el indicador gallos a un lado de la columna. El golpe final válvulas debe mantenerse firme y abierto, al menos una vez al día a golpe de tambor de todo el lodo de sedimentos que pueden haber recogido de la concentración de agua de alimentación de la caldera.

El importe de soplado necesario dependerá del carácter del agua de alimentación utilizada.

En caso de baja de agua, que sea el resultado de negligencia o imprevisto de las condiciones de funcionamiento, el objeto esencial es que hay que alcanzar para extinguir el fuego en la forma más rápida posible. Ha sido práctica común para cubrir los incendios con las cenizas húmedas, la suciedad o combustible nuevo. Bajo ciertas condiciones es posible apagar el fuego con una fuerte corriente de agua de una manguera y este método, cuando sea posible, deben ser seguidas. La caldera debe ser cortada de la línea y una inspección exhaustiva para determinar los daños, si los hubiere, que se ha hecho antes de que sea colocado de nuevo en funcionamiento.

La eficiencia y la capacidad de una caldera dependerá en una medida mucho mayor que normalmente se aprecia el momento de su limpieza interna y 57

externa, y la limpieza sistemática debería incluirse como un elemento habitual en el funcionamiento de cualquier planta de vapor.

Las superficies exteriores de los tubos deben ser libres de soplado de hollín, con una lanza de vapor, a intervalos regulares, la frecuencia de limpieza de dichos períodos, dependiendo de la clase de combustible quemado. Los tubos internos se mantengan libres de escala y los lodos que se acumulan debido a la concentración de sólidos presentes en prácticamente cualquier caldera de agua de alimentación. Esta limpieza puede ser realizada por el uso de un aire o el agua impulsada por la turbina, el cortador de cabezas que puede ser cambiado para manejar diferentes espesores de escala.

Fig. 2.11 Turbina y cabezas de corte

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La figura 2.11 muestra una turbina más limpia, junto con varias cabezas de corte que se ha encontrado para dar resultados satisfactorios.

Cuando la escala se le ha permitido acumular un espesor excesivo de la eliminación de la labor es difícil. Cuando la escala es de una formación de sulfato de su eliminación puede ser más fácil de llenar la caldera con el agua en el que se ha colocado un cubo de ceniza de sosa para cada tambor, de iniciar un fuego lento y permitir el agua a hervir durante veinticuatro horas sin permitir ningún tipo de presión en la caldera.

A continuación se enfría lentamente, se escurre, más limpia y la turbina se utiliza inmediatamente que la acción del aire tiende a endurecer la escala. Si bien la utilización de una caldera de agua en los piensos compuestos es admisible con miras a prevenir la formación de escala, por ejemplo, un agente no debe ser introducida en la caldera mientras se encuentra en funcionamiento con el fin de suavizar o aflojar cualquier escala que pueden ser ya presentes en la caldera.

Aparte de la relación de aspecto de la eficiencia y la capacidad de limpiar el interior de una caldera de la calefacción asegura la protección de las superficies de la quema. En ausencia de un golpe-pipe de acción de las llamas, es imposible grabar una superficie de metal cuando el agua está en contacto íntimo con la superficie. Cualquier formación de la escala en el interior de las superficies de una caldera que mantendrá el agua de las superficies y aumenta su tendencia a quemarse. Escala de las partículas sueltas que pueden desprenderse de presentar en ciertos puntos en los tubos y actuar en dichos puntos de la misma manera que una capa continua de escala, salvo que la tendencia a quemarse es localizada.

Si el aceite se le permite entrar en la caldera con el agua de alimentación, su acción será la misma que la de mantener la escala en el agua de la de los 59

tubos de metal, de esta manera el aumento de su responsabilidad para quemar.

Se ha demostrado más allá de toda duda que un gran porcentaje de pérdidas del tubo se debe a la presencia de escala que, en muchos casos ha sido tan delgada como para ser considerado de ningún momento, y la importancia de mantener el interior de la caldera de calefacción en las superficies estado de limpieza no pueden ser demasiado subrayó.

En caso de picaduras o corrosión se observa, las partes afectadas deben ser cuidadosamente limpiadas y pintadas con blanco de zinc. La causa de tal acción se debe determinar de inmediato y las medidas adoptadas para ver una solución adecuada que se aplica.

Al realizar una inspección interna de la caldera o al limpiar el interior de las superficies de calefacción, hay que tener mucho cuidado para protegerse contra la posibilidad de entrar en la caldera de vapor de que se trate de cualquier otra calderas en la línea-a través de un golpe o por medio de válvulas descuidado la apertura de la válvula de cierre de la caldera.

Casos de mala escaldado son el resultado de la negligencia de esta precaución.

Calderas deben tomarse fuera de servicio a intervalos regulares para la limpieza y reparaciones. Una vez hecho esto, la caldera se dejen enfriar lentamente y si es posible permitir que doce horas después de los incendios se han extraído antes de la apertura.

El proceso de enfriamiento no debe ser acelerado por causa de aire frío a través de la carrera, lo que causa dificultades en el establecimiento de ladrillo. Mientras que la caldera está apagada para la limpieza, un cuidadoso examen debería hacerse de su condición, tanto interna como externamente, 60

y todas las fugas de vapor, el agua y el aire a través de la configuración debe ser detenida con prontitud.

Si es una caldera a permanecer inactivo durante algún tiempo, es susceptible de deteriorarse mucho más rápidamente que cuando se encuentre en servicio. Si el período para el que va a ser despedidos no es superior a tres meses puede ser llenado con el agua, mientras que fuera de servicio. La caldera debe limpiarse interna y externamente, todas las cenizas y hollín se eliminan de la configuración y la acumulación a cualquier escala debe removerse de las superficies interiores. A partir de entonces debe ser llenado con agua para que unos cuatro cubos de ceniza de sosa, se ha añadido, un muy ligero incendio comenzó a conducir el aire desde el agua, el fuego permitió a morir y la caldera de bombeo completo.

Si la caldera se fuera de servicio durante más de tres meses, debe vaciarse, limpiarse y secarse completamente. Una bandeja de la cal viva debe ser colocada en cada tambor, la caldera cerrada, cubierto y de las rejas de una cantidad de cal viva en ellos. Se debe tener especial cuidado para evitar que el aire, el vapor o las fugas de agua en el ajuste o la presión sobre las partes, para evitar el peligro de corrosión.

61

Capitulo 3 Funcionamiento, Metodolog铆a

y

descripci贸n de la caldera Stirling 62

3.1 Funcionamiento de la caldera 3.1.1 Circuito de agua El principio de funcionamiento de una caldera

de vapor, tiene como fin

evapora agua y sobre calentar el vapor obtenido, mediante energía liberada en una reacción de combustión. La caldera de vapor elegida para nuestro análisis funciona de la siguiente manera:

El agua de alimentación es llevada al interior de la caldera, pasando antes por el economizador (el cual precalentara el agua antes de llegar al interior de la caldera), para ser depositada en el domo superior izquierdo y desde allí, alimentara al domo superior derecho mediante un pequeño desnivel que habrá entre ellos, posteriormente mediante los tubos de descenso el agua llegara hasta el domo inferior.

El vapor se genera en los tubos de descenso (ya q estarán expuestos a los gases producidos en la combustión), el vapor producido se recolecta del domo inferior y del domo superior derecho y es conducido al domo superior izquierdo mediante los tubos de ascenso. El vapor generado generado pasa a continuación por los tubos de descarga del domo superior izquierdo, donde se distribuye para diferentes usos.

3.1.2 Circuito de humos El combustible que utiliza la caldera es gas licuado de petróleo (LP), el cual está constituido por un 66.45 por ciento de propano ( ciento de butano (

, y 33.55 por

), esta composición del combustible está dada en

forma molar. La temperatura de entrada del combustible es de 30 °c 63

aproximadamente y el flujo de combustible que puede aportar es de 0.35 /s.

Se aporta un 5 % de exceso de aire para la combustión, inyectado mediante una bomba con una temperatura ambiente de 30°c aproximadamente.

Durante el proceso de combustión de nuestra caldera del 100 % del gas LP quemado, el 11.0402 %reacciona para formar

(Dióxido de carbono),

también obtendremos un 72.2236 % de N (Nitrógeno) siendo este el que se encontrara en mayor cantidad, otro producto de la combustión será el (Oxigeno) el cual se encontrara en un 0.9142 % y por ultimo un 15.7519 % de

(Humedad).

Todos estos componentes forman parte de los gases de escape, obteniendo de esta manera un volumen de gases de escape seco y húmedo, volumen de aire y humedad las cuales se muestran en la siguiente tabla 3.1 para un exceso de aire del 2% hasta al 6 % para los volúmenes reales.

Tabla 3.1Porcientos de volumen de aire y gases de combustión

Volúmenes de Aire y Gases de Combustión Real ( α > 1 ) α Vh2o real Vgs real Vg real Va_real

1.02 4.7675 24.6430 29.4105 26.8316

1.04 4.7760 25.1691 29.9451 27.3578

1.05 4.7802 25.4321 30.2123 27.6208

1.06 4.7844 25.6952 30.4796 27.8839

64

Considerando una combustión ideal si exceso de aire tenemos los siguientes volúmenes: Volúmenes de Aire y Gases de Combustión Teóricos ( α = 1 ) Va_teor

26.3055

Nm3 de aire/Nm3 de G.C.

Vn2 teor

20.7814

Nm3 de N2/Nm3 de G.C.

Vco2 teor

3.3355

Nm3 de CO2/Nm3 de G.C.

Vso2 teor

0.0000

Nm3 de SO2/Nm3 de G.C.

Vro2 teor

3.3355

Nm3 de RO2/Nm3 de G.C.

Vh2o teor

4.7590

Nm3 de H2O/Nm3 de G.C.

Vgs teor

24.1169

Nm3 de gases secos/Nm3 de G.C.

Vg teor

28.8759

Nm3 de gases total/Nm3 de G.C.

Todos estos componentes se consideran como gases de escape aunque unos no intervienen en la combustión como el N (Nitrógeno), o el agua q se origina (

), y el exceso de oxigeno q no reacciona con el gas (

).

Los humos creados en la combustión llevan un calor, los cuales serán los responsables de los diferentes intercambios de calor que se irán produciendo en la caldera y ayudaran a producir el vapor necesario según la utilidad que se tenga.

3.2 Metodología En este apartado se pretende explicar paso a paso la metodología del diseño del prototipo. Para la construcción de la caldera muchos datos fueron supuestos o determinados como las dimensiones de la caldera.

65

Así también partes que conformen a la caldera como el quemador el cual se utilizaran dos quemadores, también determinamos el tamaño de cada domo y la cantidad, el tamaño de los tubos, el diámetro del economizador.

El combustible a utilizar será el gas LP, a partir de este dato podremos concluir cuanta cantidad de flujo pasara por cada orificio en los quemadores teniendo en cuenta las siguientes características:

Se trata de un quemador con 5 orificios, cada orificio tienen dimensiones diferentes siendo la parte más ancha el lugar por donde entrara el gas y la parte más estrecha por donde saldrá el gas como se muestra en la siguiente figura.

D1

D2

Longitud Fig. 3.1 para el análisis se considera el orificio como una tobera

Este orificio tiene las siguientes características.

Dimensiones para un orificio Longitud 3mm D2 2.00 mm D1 0.90 mm

66

Sabemos que en el interior de cada orificio habrá una presión de 11 “C.A (pulgadas por columna de agua). Estas unidades procedemos a cambiarlas a Pascales para trabajar de una forma más cómoda.

Para hacer este cambio se procede a convertir las columnas de agua a milímetros de la siguiente manera:

Como sabemos que una pulgada es igual a 2.54 cm o 25.4 mm por lo tanto tenemos que 1” C.A será igual 25.4 mm C.A.

Entonces: 25.4 mm C.A* 11= 279.4 mm C.A

Sabiendo que para un milímetro de columna de agua en el interior de una tubería hay una presión de:

P=h*

* g (Ecuación 3.1)

P = (0.001 m)*(1000

)* (9.81 m/ ) = 9.81 Pa

Donde: P = presión originada en el interior de cada ducto h = Altura o longitud del ducto (0.001m) = Densidad del fluido g = gravedad

(1000

)

(9.81 m/ )

Entonces:

(

-

) = 9.81 Pa*279.4 mm C.A/1000=2740.914

Para 279.4 mm C.A tenemos una presión de 2740.914 pascales esta presión es la relación en la entrada y salida del orificio (

-

).

67

Como lo que se desea calcular es el caudal de gas que pasara por este ducto tenemos la siguiente ecuación:

= v*A*

(Ecuación 3.2)

Donde: A=(

)/4 (Ecuación 3.3)

Entonces: = v*

(Ecuación 3.4)

Como no conocemos la velocidad de este fluido aplicamos Bernoully

(Ecuación 3.5)

Donde

* Por lo tanto

multiplicándola por la gravedad tenemos *

*

donde:

K= constante de perdidas por fricción en el interior de los ductos

K=r

(Ecuación 3.5)

Donde r es un valor dado por alfa el cual es el ángulo que se muestra en la figura 3.2:

68

D2

D1

b= 3 mm

a a

Fig. 3.2 Donde: = Este angulo nos muestra la constante que se debe de utilizar. As铆 que hay que calculado.

Como solo conocemos b que es igual a 3 mm a no la conocemos pero podemos calcularla partiendo de que conocen los diametros.

Entonces : (Ecuaci贸n 3.6)

a= Como

y = 0.55 mm

a= Por lo tanto

sera igual a: tan

=

69

Despejando

Despejando

tenemos que:

:

Con este valor calculado podemos saber cual sera la constante q se utilizara mediante la tabla q se muestra a continuacion:

El valor calculado para alfa no se muestra en la tabla pero es un valor intermedio de 20 y 21 entonces interpolamos para hallar este dato.

Interpolando tenemos el siguiente dato:

Como conocemos los diรกmetros y ya tenemos el valor de r entonces procedemos a calcular k

70

Dimensiones para un orificio D2 0.90 mm D1 2.00 mm

K= r Donde:

= diámetro a la entrada del gas = diámetro a la salida del gas

= 1.493827

K =0.4592

Con el valor q obtuvimos de k entonces podemos calcular todas las perdidas q habrá por fricción. (Este cálculo hubiera sido más fácil si la figura hubiera sido un cilindro ya que en este caso tendríamos dos diámetros iguales por lo también tiende a cero.), ahora para

que k seria igual a cero, por lo tanto calcular

.

Tenemos que:

* Donde: = velocidad con la que sale el gas

Ecuación original para encontrar

=

* 71

Sustituyendo k tenemos: =

*

Ahora sustituimos estos datos en la siguiente formula

(Ecuaci贸n 3.7)

Y nos queda: *

y

Debido a que no hay una diferencia de altura entonces

son iguales

a cero por lo que la formula inicial queda:

+

*

Despejando las presiones tenemos:

+

*

Simplificando tenemos: +

*

Sabemos la densidad del agua es, tambi茅n conocemos la gravedad y las presiones como se muestra en la siguiente tabla

P1-P2 Densidad del agua Gravedad

2740.914 1000 9.81

Pascales Kg/m m/s2

Sustituyendo estos datos tenemos: 72

+ 0.2794= Como no conocemos

+

* *

nos guiaremos en la siguiente figura para calcularla.

Fig. 3.3 Entonces suponemos lo siguiente:

(Ecuación 3.8)

Despejando

tenemos:

Como conocemos d y D simplificamos esta ecuación:

Entonces nuestra formula quedaría:

en la siguiente ecuación para que esta fórmula

Posteriormente sustituimos quede solo en función de

:

73

0.2794 Despejando

+

*

para simplificar la ecuación tenemos:

0.2794

= Por lo tanto

=0.2438

será:

m/s Ahora para poder calcular el flujo de combustible que saldrá por este orificio tendremos que calcular la densidad del combustible que para este caso utilizaremos gas LP, que es una mezcla de gas propano (66.45%) y gas butano (33.55%).

(Ecuación 3.9) Donde:

P

T

Este cálculo se hará bajo las condiciones estándar de presión:

Presion R

101325 8314

Pascales J/Kg-°K

µ

48.697 303.16

Kg/Kmol °K

Temperatura

Sustituyendo tenemos: 74

(Ecuaci贸n 3.10)

Insertando valores tenemos:

Este flujo de combustible solo se calculo para un orificio del quemador pero cada quemador tiene 5 orificios y como se utilizaran dos quemadores, por lo tanto tendremos 10 orificios as铆 que hay que multiplicar este resultado por los diez orificios para obtener el flujo total

Como este flujo lo necesitamos en

entonces hay que dividirlo por la

densidad del gas pero en condiciones est谩ndar de presi贸n y temperatura entonces tenemos que la densidad es:

Con la densidad calculada dividimos el flujo de combustible

75

Para saber cuánto calor libera esta cantidad de flujo cuando se combustiona para poder encontrar la temperatura de saturación de los gases, la temperatura adiabática y la temperatura promedio para así determina la cantidad de ladrillo refractario que utilizaremos así también el espesor de esta pared, la fórmula para este cálculo es la siguiente:

(Ecuación 3.11) Donde:

VCI=Poder calorífico inferior = 100492.7kJ/Nm3

Sustituyendo tenemos:

Ahora suponemos que nuestra caldera tiene una eficiencia del 92% para poder calcular el calor aprovechado.

(Ecuación 3.12) Ahora sustituyendo ambos valores tenemos:

1.294854

El calor que no se consumió durante el proceso de combustión se calcula de la siguiente manera:

76

(Ecuación 3.13)

Con este valor obtenido podemos calcular la temperatura de los gases de salida.

(Ecuación 3.14) Donde: (

) ) (°C)

Donde el Cp de los gases de combustión se calculo multiplicando el por ciento de cada compuesto producido en la combustión por el Cp de cada compuesto y la suma de todos esto es el Cp de los gases de combustión.

Tabla 3.2 Porcentaje de gases de escape y su calor especifico Compuesto

%

Cp

CO2

11.0402

2.4831

SO2

0.0000

0.0000

N2

72.2236

1.4966

O2 H20

0.9142 15.7519

1.6452 2.0115

(Ecuación 3.15)

77

Como no existe

ya que el combustible es un gas, por lo tanto no es

necesario agregarlo en la formula.

KJ/Nm3°C

Y el flujo de gases de combustión será igual al volumen de gases producidos durante la combustión por el flujo de combustible.

Vgases

30.2123 (Ecuación 3.16)

Despejando la temperatura de los gases de salida se tiene: (Ecuación 3.17)

157.7429095 °C Para poder encontrar el espesor de la pared es necesario encontrar una temperatura promedio entre la temperatura de los gases de salida y la

78

temperatura adiabática, pero como en este caso no se conoce la temperatura adiabática entonces tendremos que hacer el siguiente balance de flujo:

(Ecuación 3.18) Donde:

(kJ/Nm3 )

(°C) (

) )

(

) )

Se tiene los siguientes datos: Flujo de combustible VCI Cp de combustible FLUJO DE GASES Cp de gases Temperatura Ambiente Cp aire

1.401E-05 100492.7 3.64 4.23E-04 1.6869 30 1.3196

El único dato que nos falta para poder calcular la temperatura adiabática es el flujo de aire, la cual calcularemos de la siguiente manera: 79

Como se conoce el volumen de aire que se produce se puede determinar el flujo de aire multiplicando el volumen de aire por el flujo de combustible.

Vaire

27.6208

3

3

Nm de aire/Nm

(Ecuación 3.19) 27.6208* 0.00038684 Al despejar la temperatura adiabática de la ecuación # queda de la siguiente manera:

Entonces la temperatura promedio será igual a: (Ecuación 3.20)

Ahora con la temperatura promedio podemos calcular el espesor de la pared de ladrillo refractario que se necesitara para que en nuestra caldera solo haya una transferencia de calor de 40°C. (Ecuación 3.21)

80

(Ecuación 3.22) (Ecuación 3.23)

Donde:

Datos: hi ho Kw T-hot T-amb T-W2

De la siguiente formula despejamos

500 12 0.04 561.03 30 40

W/m2-°C W/m2-°C W/m-°C °C °C °C

y sustituimos valores.

81

560.79 °C

Por último despejamos el espesor de la siguiente ecuación y sustituimos los valores correspondientes.

Entonces nuestra pared debe de tener un espesor de 17 cm como mínimo para que la pared externa alcance una temperatura de 40°c.

Ahora para determinar la cantidad de tubos que tendrá cada domo de nuestra caldera necesitamos hacer un balance de masa y energía.

Partiremos del hecho de que el flujo de vapor generado por la caldera tendrá una presión de 3 atmosfera (303.98 Kpa), también nuestra purga tendrá esta misma presión.

Mediante un programa (xsteam) calculamos la entalpia y temperatura para ambos flujos.

82

Fig. 3.4 Hoja de resultados de entalpia y temperatura del flujo de vapor y purga

83

La siguiente figura 3.5 servirá para hacer el análisis que necesitamos, para determinar el balance de flujo y energía.

Fig. 3.5 Haciendo el análisis de la caldera tenemos:

(Ecuación 3.23) (Ecuación 3.24) (Ecuación 3.25)

84

Sustituyendo los datos se obtiene:

Se tiene un sistema lineal de tres ecuaciones con tres inc贸gnitas y resolviendo el sistema de ecuaciones se obtiene que:

Con los datos obtenidos se determina la cantidad de tubos que habr谩 por cada domo.

Las formulas que utilizaremos son las siguientes: (Ecuaci贸n 3.26) Donde:

La velocidad de la mezcla tiene un rango de (1-1.2) m/s que para nuestro caso tomaremos 1 m/s para una mayor facilidad.

85

Donde:

Donde:

Donde

serรก igual a 10 o 12 % de la masa total

Donde:

86

Donde:

En este caso la velocidad del agua tendra una rango de 0.1 hasta 0.5 m/s

Donde:

87

3.3 Descripción del prototipo En el siguiente apartado se pretende hacer una descripción detallada de todas las partes del prototipo.

3.3.1 Base de la caldera Tiene como objeto soportar el peso de la caldera por lo tanto debe ser una estructura lo suficientemente resistente.

Esta elevara la caldera unos 20 cm con respecto al suelo y tendrá una dimensión de 80x80 cm.

3.3.2 Quemadores Como el combustible que utilizara deberá ser gas LP (licuado de petróleo comercial) utilizaremos dos quemadores de gas los cuales constan de una boquilla con 5 orificios donde saldrá el flujo de gas.

Fig. 3.6 Quemador

88

3.3.3 Tubos de descenso Estos tubos conectaran al domo superior izquierdo al domo inferior en el cual se encuentra el agua que se va a generar el vapor. La transferencia de calor se dará por radiación ya que se encuentran localizados muy cerca de la flama. En el interior de ellos habrá únicamente agua.

Utilizaremos tubería de cobre de 0.5 pulgadas de diámetro capaz de soportar presiones

3.3.4 Tubos de ascenso Dichos tubos conectaran al domo inferior con el segundo domo superior en el cual solo se concentrará el vapor producido. En estos tubos la transferencia de calor se dará por convección ya que estarán más alejados del fuego.

La circulación de vapor se dará por la diferencia de densidad q hay entre estos. En el interior de estos tubos habrá agua en ebullición por lo tanto habrá una mezcla agua mas vapor.

3.3.5 Tubos horizontales Estos tubos conectaran los domos superiores para llevar vapor que se genere en el domo izquierdo al domo derecho estos en los tubos superiores, mientras que en los tubos inferiores se encargaran de alimentar de agua al domo superior derecho, debido a que estos tubos estarán expuestos a los gases de combustión el agua que contendrán en su interior se calentara hasta alcanzar el estado de ebullición, estos tubos tendrán una mezcla agua vapor.

89

3.3.6 Domos Serán construidos con tubería de hierro de un espesor de… con un diámetro de 2.5 pulgadas y una longitud de 80cm. Para que pueda soportar la presión generada por el vapor en los extremos de los domos tienen que tener una forma cóncava; para darle esta forma se utilizaran de los cilindros de gas…

Estos domos irán montados en la estructura de la caldera debido a que no pueden ir soldados ya que con el calor los cuerpos se dilatan y pueden deformar la estructura.

En total se construirán tres domo, dos domos superiores y uno inferior. Los domos superiores irán colocados a niveles diferentes, debido a este desnivel ambos domos contendrán agua, A diferencia del domo inferior el cual estará lleno en su totalidad.

El domo superior izquierdo e inferior estarán conectados por los tubos de descenso estos tubos contendrán en su interior agua básicamente, mientras q los tubos de ascenso los cuales conectaran al domo inferior con el domo superior derecho tendrán en su interior una mezcla agua vapor y por ultimo tenemos dos tubos que conectan a los dos domos superiores uno inferior el cual tiene como función alimentar de agua al domo superior derecho, y un segundo tubo superior el cual se encargara de transportar el vapor generado en el domo superior izquierdo al domo superior derecho Por lo tanto en el domo superior derecho es donde se encontrara la mayor cantidad de vapor ya que recolectara el vapor generado en el domo superior izquierdo y lo generado en los tubos de ascenso, en este domo también se encontrara una válvula para extraer el vapor.

90

80 cm

Fig. 3.7 Longitud de los domos

2.5 pulg

Fig. 3.8 Diรกmetro de los domos

Fig. 3.9 Cilindro que se utilizara para las tapas de los domos

91

3.3.7 Economizador Se colocara con la función de reducir la cantidad de combustible a utilizar ya que precalentara por convección el agua de alimentación con el calor generado por los gases de combustión. Por lo cual lo pondremos en el interior de la chimenea.

3.3.8 Pared de ladrillos refractario Las paredes de la caldera incluyendo la chimenea serán de material refractario,

también cubrirán a los domos ya que no deben de estar

expuestos directamente al fuego Ya que en el interior de la caldera se alcanzaran una temperatura promedio de 560.79°C, la pared será de un grosor de 17 cm.

Fig. 3.10 Ladrillo refractario

3.3.9 Mampara Ya que en el interior de la caldera se generaran gases productos de la combustión es necesario colocar unas paredes de ladrillos refractarios (mamparas) para crear una trayectoria de circulación de estos gases para 92

que en ese trayecto se aproveche al máximo el calor de dichos gases y darle un calentamiento más uniforme en el interior de la caldera. También se colocan mamparas para que la llama no le dé directamente al domo inferior y para cumplir con el principio de generación de vapor de la caldera Stirling

3.3.10 Purga Debido a que en el domo inferior se acumularan sedimentos productos del agua de alimentación y evaporización de la misma, se colocara una tubería de desfogue cuya función será la de liberar estas impurezas. Por lo cual esta tubería se pondrá en la parte inferior del domo.

Dicha tubería será de cobre cuyo diámetro es de 0.5 pulgadas.

3.3.11 Sistema de agua de alimentación Consistirá él una tubería de cobre de 0.5 pulgadas por donde circulara el agua que llegara al domo superior izquierdo, el flujo de agua será regulado por un válvula, en este sistema también se encontrara el economizador.

3.3.12 Válvula de alivio Como puede ocurrir que haya una sobre presión generada por el vapor es preciso colocar un medio por el cual se pueda liberar dicha presión. Esto consistirá en colocar una válvula de alivio.

93

Fig. 3.11 Válvula

3.3.13 Chimenea Será el lugar por donde saldrán los gases producidos por la combustión calentando en su camino el agua de alimentación ya que aquí se encontrara localizado el economizador y finalmente estos gases serán liberados a la atmosfera.

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Conclusiรณn 1. Con la creaciรณn de la caldera Stirling se podrรกn realizar prรกcticas de laboratorio donde los estudiantes podrรกn evaluar el comportamiento de una caldera.

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Recomendaciones

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BibliografĂ­a http://www.utbb.edu.mx/gaceta/g3/frame-articulos_6.html http://www.emc.uji.es/asignatura/obtener.php?letra=3&codigo=59&fichero=10 86018838359 http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF http://www.articuloz.com/otro-articulos/ladrillos-refractarios-505541.html http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF http://books.google.com.mx/books?id=EeplO3UCxvkC&pg=PA211&dq=calde ras+de+vapor

97

Anexos

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