CALDERA
Descripción de su funcionamiento: La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado
para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido,
originalmente en estado líquido,
se calienta y cambia su fase.
Según la ITC-MIE-AP01,
caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a
través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
La caldera es un caso particular
en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, en la cual se produce
un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es
construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de
gas.
Debido a las amplias aplicaciones
que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la
industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:
·
Esterilización (tindalización):
era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para
"esterilizar" el instrumental médico;
también en los comedores,
con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos,
así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una
técnica de esterilización).
·
Para calentar otros fluidos, como
por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy
utilizado para calentar petróleo pesados y mejorar su fluidez.
·
Generar electricidad a través de un ciclo Rankine.
La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre
caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que
el segundo genera vapor sobrecalentado.
Tipos de calderas:
·
Acuotubulares:
son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos
durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales
termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad
de generación.
·
Pirotubulares:
en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente
atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura,
producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los
tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape.
En toda caldera se distinguen dos zonas
importantes:
*Zona de liberación de calor: es una cámara de combustión donde se
quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente
metálico.
-Interior:
la cámara de combustión se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado
de paredes refrigeradas por agua.
-Exterior: cámara
de combustión constituida fuera del recipiente metálico. Está parcialmente
rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.
La transferencia de calor
en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama-agua).
*Zona de
tubos: es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos)
transfieren calor al agua principalmente por convicción (gases-aguas). Esta
constitutita por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el
agua.
Accesorios
para el funcionamiento seguro
Las calderas deben poseer
una serie de accesorios que permitan su utilización en forma segura, los que
son:
·
Accesorios de observación: dos
indicadores de nivel de agua y uno o más manómetros. En el caso de los
manómetros estos deberán indicar con una línea roja indeleble la presión máxima
de la caldera.
·
Accesorios de seguridad: válvula
de seguridad, sistema de alarma, sellos o puertas de alivio de sobre presión en
el hogar y tapón fusible (en algunos casos). El sistema de alarma, acústica o
visual, se debe activar cuando el nivel de agua llegue al mínimo, y además
deberá detener el sistema de combustión.
ESQUEMA DE UNA
CALDERA ACUOTUBULAR
Propiedades
de estado de la caldera:
Entrada
en comparación a la salida:
- El fluido que llega a la caldera entra como liquido comprimido o liquido saturado y sale como vapor saturado o sobrecalentado.
- Su presión se mantiene constante: Pe=Ps.
- La temperatura varía algunas veces por lo tanto Ts≥Te.
- Los cambios de energía cinética son despreciables, ∆EC=0.
- Los cambios de energía potencial son despreciables, ∆EP=0.A menos que haya cambio de elevación entre la tubería de entrada y la de salida.
- La potencia es igual a 0, debido a que el fluido no esta impulsando solo se quiere adicionar calor.
Ecuación de continuidad de la caldera:
1era
Ley Termodinámica para la caldera:
ṁe he+ Qvc=ṁs hs
En términos de entalpía: he+qcalor=hs
ṁ=Flujo masico
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