Rendimiento de la FC

Las calorías que llegan a la FC son las que se han generado en el hogar menos las pérdidas en este último. 100% = (Pg + Pc + Ph)
Pc: pérdidas por carbón no quemado en los residuos del hogar
Pg: pérdidas por combustión incompleta de los gases
Ph: pérdidas por el coque que vuela y por el hollín.
Pero no todas estas calorías pasan al agua, a través de las chapas y tubos de la caldera, sino que una parte (pch) se pierde por la chimenea y la otra (prc) constituye las pérdidas por radiación y conducción.
PCH: pérdidas por el calor sensible de los gases de la chimenea. Es afectada por el peso de los gases y su temperatura. El valor medio de Pch va de un 9% a un 11% con temperatura de gases entre 170 y 180°C y con % de CO2 alrededor del 12%.
Prc: depende de las dimensiones de la caldera, de la cantidad de aislación de la misma, de la estanqueidad de la mampostería y de la existencia o no de revestimiento de la cámara de fuego con los elementos refrigerantes. La determinación directa puede hacerse solamente de forma aproximada, por eso, estas pérdidas se incluyen también en las pérdidas por diferencias. El valor medio de Prc es menor o igual al 1% en instalaciones grandes; y en pequeñas menores al 10%. A través de la FC pasará solamente 100 – (Pg + Pc + Ph) – (Pch + Prc).

Rendimiento

Este también puede determinarse de otra manera: Si la caldera produce D [Kg/h] de vapor y cada kg requiere i [kcal], y si para ello es necesario quemar B [kg] de combustible de poder calorífico Ws, el ns se expresará como:

Los valores aceptables de ns son 0,50/0,75.

Rendimiento de la caldera

Conociendo nh y ns, el de la caldera será nc = ns * nh, reemplazando en la fórmula antes mencionada.

Estos valores son superiores en calderas modernas con recuperadores de calor y controles automáticos.

Generadores de vapor

Concepto

El GV es en esencia un intercambiador de calor, donde se trata de transferir la energía calorífica de la combustión al agua o vapor. Desde la combustión, la transferencia se hace por convección y radiación (Lamda c + R) hasta la pared del recipiente cilíndrico, por conducción a través de la pared de espesor e (K) y en la parte interior del recipiente hacia el seno del líquido por convección (Lamda i). La cantidad de calor Q que podemos transferir será proporcional al área de intercambio (A), al coeficiente global de transferencia de calor (U) y a la media logarítmica de temperatura entre los gases de la combustión y el agua o vapor.

Cálculo de U

Para calcular U decimos que el gradiente de temperatura que nos indica la dirección de la energía calórica es desde la combustión hacia el agua o vapor.

Tipos de transferencia de calor

Esquema de un intercambiador de calor:

En este caso es el de contracorriente (es el más eficiente).

Tipos de corriente en un intercambiador

El término DeltaTM se suele llamar diferencia media logarítmica de temperatura y se puede abreviar también MLDT; es lo mismo para flujo paralelo como para contracorriente. Mostraremos que el más eficaz es el que presenta mayor diferencia de temperatura para las mismas condiciones.

Evolución de los GV

Al principio se fabricaban con los principios tecnológicos que había en el momento más que con los principios termodinámicos. Se construían de cobre y las partes se unían por caldeo, y las presiones que se podían obtener en esas condiciones eran casi nulas. También se fabricaban de fundición y posteriormente se usó la chapa de acero de bajo carbono unida mediante remaches. Los fondos se construían abovedados en forma artesanal. Como se sabían construir tubos de baja sección de 2 a 3 plg, se construían grandes recipientes cilíndricos unidos mediante virolas. Como se descubrió la importancia de la FC para la transferencia de calor, se aumentaron los diámetros y las longitudes de estos recipientes y se los denominaba de gran volumen de agua, con medidas máximas de 3 m de diámetro y 10 m de longitud, con lo cual los espesores crecían grandemente porque:

El coeficiente c se adiciona para prever la oxidación, corrosión y darle resistencia mecánica; esta entre 1 y 3 mm. La puesta en régimen era generalmente de 24h.

Luego, una mejora importante fue el hogar interior que al principio se instalaba en el exterior. Este se construyó de chapa de acero de bajo carbono corrugada que absorbía las dilataciones diferenciales, aumentaba las turbulencias gracias al corrugado, por lo cual aumentaba el coeficiente pelicular de transferencia de calor, aumentaba U y se podía aumentar la temperatura del hogar, con lo que aumentábamos la diferencia de temperaturas. En resumen, aumentaba la temperatura de combustión.

También se logró una mejora porque los gases, una vez que llegaban al final del hogar, se hacían retornar hacia el frente por la parte exterior, y nuevamente hacia la parte posterior por debajo. Los pasos se enumeran según los flujos sucesivos de gases que tengan sentidos opuestos y en estos casos tenía 3. La incorporación del hogar en el interior permitió aprovechar la radiación de la combustión. Las cámaras de inmersión entre el primer y segundo paso en la parte posterior y lateral se construían con mampostería refractaria y se denominan cámaras de inmersión seca. Con esto se logró aumentar la velocidad de los gases de combustión elevando su temperatura y se aprovechaban igualmente por un mayor recorrido en contacto entre los fluidos que intercambian calor.

Tipos de calderas

Caldera humotubular

Es una caldera en la cual los gases de combustión fluyen por el interior de tubos que se encuentran sumergidos en agua de la caldera.

Caldera acuotubular

En esta, el agua y vapor producidos fluyen por el interior de tubos cuya superficie externa está en contacto con los gases de la combustión.

Caldera de circulación natural

Es aquella en la que la circulación interna del agua se efectúa por termosifón.

Caldera de circulación forzada

Es aquella en la que la circulación de agua se efectúa por medios mecánicos.

Dispositivos auxiliares

• Sobrecalentador: Dispositivo que se emplea para subir la temperatura del vapor saturado proveniente de la caldera sin aumentar la presión.
• Recalentador: Dispositivo para elevar la temperatura del vapor que retorna al GV luego de haber sido empleado en el receptor de vapor, ej. turbina de gas.
• Economizador: Con el se eleva la temperatura del agua de alimentación aprovechando el calor de los gases antes de la salida por la chimenea.
• Calentador de aire: Con el recuperamos el calor de los gases de chimenea para elevar la temperatura del aire destinado a la combustión.
• Válvula de seguridad: Entra en funcionamiento cuando las condiciones de presión de la instalación sobrepasan los límites preestablecidos. Se caracteriza por una apertura rápida.
• Válvula de alivio: Es una válvula automática que actúa por presión directa, diseñada para apertura precisa pero no instantánea, sino progresiva.

Generadores de vapor humotubulares

En estos GV, los gases se conducen por medio de tubos que tienen entre 2 y 4 plg de diámetro. Están compuestos por un tubo cilíndrico y dos placas tubulares en sus extremos que se calculan para soportar la presión interior. Entre ambas placas y la parte inferior se dispone el hogar corrugado y para el segundo y tercer caso, los tubos de humo. Al principio, el hogar se remachaba en las placas tubulares y los tubos se mandrilaban. En la actualidad, el hogar se suelda a las placas, al igual que los tubos inferiores; los tubos superiores que trabajan a menores temperaturas se pueden mandrinar. Cabe señalar que los tubos inferiores además hacen de riostras. Se le adiciona en la parte posterior una caja de inmersión seca que hace de colector de los gases de la combustión y es la base de la chimenea. Por lo general, en estos equipos, la chimenea se construye también de chapa de poca altura, lo suficiente para dispersar los gases causando el menor perjuicio posible y siempre impulsados por los ventiladores. En estos GV, el agua siempre debe mantenerse por lo menos 100 mm por encima del tubo más alto para evitar que el fuego incida sobre la chapa del tubo sin que se encuentre refrigerado por el agua o vapor. La presión se limita a 20 atm porque el recipiente cilíndrico sería de mucho espesor. Los construyen de hasta 3 m de diámetro y 6 m de largo. Este tipo de GV puede quemar combustibles líquidos, gaseosos o sólidos.

Definición de ASME

ASME define el HP caldera como la cantidad de calor necesaria para vaporizar 15,5 lt/h de agua desde y a 100°C, cantidad que es igual a 8435 kcal/h.

Equipos para la recuperación de calor

• Economizadores: Es un intercambiador de calor que permite precalentar el agua de alimentación utilizando parte del calor que escapa de la chimenea.
• Precalentadores: Intercambiador de calor que permite precalentar el aire que luego se usa en la combustión.
• Sobrecalentadores: Intercambiador de calor ubicado en un sector de la caldera que sobrecalienta el vapor saturado a temperaturas superiores a las normales. Pueden ser convectivos, de radiación o combinados.