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RENDIMIENTO EN LAS CALDERAS CAPITILO 11º. Calderas. La caldera : Es el conjunto formado por el cuerpo de la caldera y el quemador y esta destinado a transmitir al agua (fluido caloportador) el calor liberado por la combustión.
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Calderas La caldera: Es el conjunto formado por el cuerpo de la caldera y el quemador y esta destinado a transmitir al agua (fluido caloportador) el calor liberado por la combustión. Las calderas pueden utilizarse para la producción de vapor (para la generación de energía eléctrica o procesos de calefacción) o para la producción de agua caliente (para sistemas de calefacción o suministros de agua caliente sanitaria).
Calderas Los elementos básicos de que se compone una caldera, • Tubo Hogar o cámara de combustión: habitáculo en el que se realiza la reacción de combustión. • Cámara hogar: Es el elemento que recibe los humos procedente del tubo hogar • Quemador: dispositivo que se encarga de realizar la mezcla del combustible con el comburente para facilitar la combustión. • Intercambiador de calor: donde se realiza la transferencia de energía térmica obtenida con la combustión al fluido térmico. • Salida de humos: conducto que conduce los gases generados en la combustión hasta la chimenea.
Calderas • Partes: Hogar Quemador Humos Intercambiador de calor Fluido caloportador Chimenea.
Los elementos básicos de que se compone una caldera, son los siguientes: calderas
Calderas: Clasificación • Según su diseño Calderas pirotubulares: En este tipo de caldera el humo caliente procedente del hogar circular por el interior de los tubos gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea. El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubosal agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada. A través de este recorrido, el humo, ceden gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de esta agua y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta vaporización parcial del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y su visualización en el manómetro.
Calderas: Clasificación • Calderas acuotubulares o de tubos de agua: • En este tipo de calderas es el agua o fluido térmico que se pretende calentar, esla que circula por el interior de los tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos tubos. • Existe dos tipos de agrupaciones de tubos, de subida y de bajada que se comunican entre si en dos domos. • Debido a que el agua en el interior de los tubos de subida pesa menos por estar mas caliente que la que esta el interior de los tubos de bajada, se establece una circulación del fluido en sentido: Domo superior Tubo de bajada Domo inferior Tubo de subida
Calderas acuotubulares: Con este tipo de calderas se puede trabajar con mayores presiones y potencias que con las pirotubulares. Se utilizan principalmente para generar vapor de agua.
CALDERAS Por el tipo de tiro • Tiro Natural: • El aire entra por diferencia de densidad (aire / humos). • Mayor altura de chimenea. • Utilizado en hornos pequeños. • Tiro Forzado: • Se fuerza la entrada de aire al hogar.
Calderas: Clasificación • Calderas de agua: Utilizan el agua como fluido térmico, calentándola hasta temperaturas cercanas a los 90 C, (sin alcanzar en ningún caso la temperatura de ebullición del agua), con presiones de trabajo de 2 bar. Se utilizan para sistemas de calefacción residencial. • Calderas de agua sobrecalentada: El fluido térmico que utilizan es el agua, como las anteriores, pero en este caso se calienta hasta temperaturas que pueden alcanzar los 200 C. El sistema se encuentra a sobrepresión, ya que se supera la temperatura de ebullición del agua, sin embargo no se produce vapor de agua, ya que el agua no entra en ebullición dentro del sistema. Se trabaja con presiones de hasta 20 bar. Se utilizan para calentamiento de grandes espacios o aguas de procesos industriales. • Por el fluido térmico utilizado
Calderas: Clasificación Calderas con el hogar en depresión: Este tipo de calderas funcionan por la depresión que se crea al instalar un ventilador que aspira los humos para forzar el tiro de la chimenea, evitando de este modo que los humos puedan entrar al local donde está instalada la caldera. La presión en el hogar es inferior a la atmosférica. Calderas con el hogar en sobrepresión: La presión en el hogar es superior a la atmosférica. Los gases son empujados al interior del hogar por medio de un ventilador, que los obliga a circular más rápido que en los otros tipos de calderas.
Calderas: Clasificación • Por la temperatura de salida del humo Calderas con temperatura de salida del humo estándar: Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70 Cde forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera. Estandar: no soportan condensación, Tª ret > 70ºC.
Calderas: Clasificación Calderas de condensación: Son calderas diseñadas para evacuar los humos a temperaturas próximas a la temperatura ambiente, sin que pueda resultar dañada por las condensaciones. Con este tipo de calderas, además de evitar pérdidas de calor con los humos, se recupera calor latente de condensación del vapor de agua que se ha formado en la combustión, con lo que se obtienen rendimientos elevados.
Calderas: Clasificación Calderas de Baja Temeperatura (BT): Son aquéllas que pueden funcionar de forma continua con temperaturas de retorno de entre 35 y 40 ºC y en las cuales puede producirse, en algunas circunstancias, la condensación del vapor de agua contenido en los gases de combustión. Tubos de doble o triple pared y de gran tamaño. Soportan Temperaturas de agua retorno de 35 o 40ºC
QUEMADORES ATMOSFERICOS QUEMADORES ATMOSFERICOS Se emplean, únicamente, para combustibles gaseosos. Una parte del aire necesario para la combustión (Aire Primario) se induce en el propio quemador por el chorro de gas salido de un inyector (efecto Venturi); el aire restante (Aire Secundario) se obtiene por difusión del aire ambiente alrededor de la llama. En este tipo de quemadores se tienen combustiones con altos índices de exceso de aire.
Quemadores Los quemadores son aparatos o mecanismos cuya función es preparar la mezcla de combustible + comburente para realizar la combustión. En el quemador, el combustible y el comburente (aire) entran por separados y en el se regulan la cantidades de cada uno, mezclándose lo mas perfectamente posible e iniciándose su propio encendido. Por eso el quemador debe lograr la mezcla íntima del combustible con el aire (combustible y comburente) y además proporcionar la energía de activación. Por la forma en que toman el aire de combustión se distinguen dos tipos de quemadores: - Quemadores atmosféricos. - Quemadores mecánicos.
QUEMADORES ATMOSFERICOS Esquema de funcionamiento de un quemador atmosférico
QUEMADORES ATMOSFERICOS La principal ventaja de este sistema es su simplicidad y bajo coste. La energía de activación se logra mediante llama piloto, que debe estar permanentemente encendida, o con encendidos automáticos (electrónicos, tren de chispas, etc). La regulación del gas se obtiene por variación de la presión en el inyector (abriendo y cerrando progresivamente la válvula de gas); esto permite que el quemador pueda ser modulante con relativa facilidad.
QUEMADORES ATMOSFERICOS • La regulación del aire (con gas a presión constante) se puede conseguir: • Variando la sección de entrada de aire, por obturación de los orificios por donde entra, mediante discos roscados, anillo móvil o capuchón deslizante. • Por deslizamiento de la boquilla del inyector respecto del Venturi.
QUEMADORES MECANICOS También se denominan como Quemadores a Sobrepresión; el aire de combustión es introducido mediante un ventilador, existen diversos sistemas para lograr la mezcla del aire con el combustible. En el caso de gas, el combustible se introduce mediante los inyectores, aprovechando la propia presión de suministro. En los combustibles líquidos se utilizan diversos sistemas para su pulverización, de modo que es creen microgotas de combustible que facilitan su mezcla con el aire. El tipo más extendido es el de pulverización mecánica.
Quemadores • Los quemadores independientemente del tipo que sean puede estar preparados para trabajar bien con la cámara de combustión con entradas de aire (a depresión) o bien hermética (a sobrepresión). • Para potencias pequeñas y medianas resulta usual que el quemador se suministre formando bloque con la caldera, realizándose, entonces, la elección y acople en fábrica.
QUEMADORES MECANICOS La combustión La combustión puede ajustarse actuando: Sobre el gasto de combustible, Sobre la cantidad de aire a impulsar y Sobre los elementos que producen la mezcla; por lo que es posible obtener rendimientos de combustión muy altos.
GENERACIÓN DE CALOR IT Fraccionamiento de potencia. “Las centrales de producción de calor equipadas con generadores de tipo estándar cumplirá con estos requisitos: 1. Si la potencia térmica de la central es mayor que 400 kW se instalarán dos o más generadores de calor. 2. Para centrales con potencia igual o menor de 400 kW y con servicios de calefacción y agua caliente sanitaria se dispondrá de un generador de calor dedicado a este último servicio, salvo cuando la potencia demandada por este servicio se adecue, dentro de un margen del ± 10%, a la potencia del primer escalón del quemador de un único generador de calor para ambos servicios”. Excepción: Instalaciones individuales de potencia térmica menor que 70 kW
ZONIFICACIÓN: CIRCUITOS. PRIMARIOS/SECUNDARIOS ITE 02.8.1: Se procurará que los circuitos de distribución de los fluidos portadores (circuitos secundarios) se dividan teniendo en cuenta el horario de funcionamiento de cada subsistema, las cargas diferenciadas por orientación o servicio, la longitud hidráulica del circuito y el tipo
Escalones de potencia Por el número de escalones de potencia que producen, se distinguen los siguientes tipos de quemadores: * DE UNA MARCHA Son quemadores que sólo pueden funcionar con la potencia a la que hayan sido diseñada, son quemadores de pequeña potencia.
Quemadores: Clasificación • Quemadora de una llama o escalón: Su regulación todo-nada. Se utiliza para pequeños quemadores hasta una potencia de 70 kw. Según ITE 02.6.2 En estos quemadores cuando están en marcha solo pueden dar toda la potencia
Escalones de potencia * DE VARIAS MARCHAS Son quemadores con dos ó más escalones de potencia (habitualmente dos); es decir, que pueden funcionar produciendo potencias distintas. Deben disponer de los elementos necesarios para poder regular la admisión de aire y el gasto de combustible, de modo que en cada escalón de potencia se obtenga el rendimiento de combustión más alto posible. Se utilizan para potencias intermedias o altas.
Quemadores: Clasificación • Quemadores de dos llamas o dos escalones: Se utiliza para potencia térmicas comprendidas entre 70 kW - 400 kW. Según ITE 02.6.2 La regulación que puede efectuarse es: Todo-parte-nada, según funciones una o dos boquillas o según la presión suministrada por el regulador de la bomba
Escalones de potencia * MODULANTES Estos quemadores ajustan continuamente la relación Aire - Combustible, de manera que pueden trabajar con rendimientos elevados en una amplia gama de potencias; adecuándose de manera continua a las necesidades de producción. En el RITE se da la siguiente tabla en la cual se indica en número de marchas de los quemadores en función de la potencia de los generadores.
Quemadores: Clasificación • Quemadores modulantes. Se utiliza para potencia térmicas superiores a 800 kW. Según ITE 02.6.2 La potencia se puede regular de forma continua en función de la demanda, desde un mínimo indispensable para que funcione la instalación hasta el 100 % ( o máxima potencia). Ventaja: Reduce sobremanera la secuencias de “encendido-paro” con el consiguiente ahorro energético.
Escalones de potencia QUEMADOR MODULANTE La potencia del quemador y el caudal de aire se adaptan automáticamente a las necesidades caloríficas de momento.
Boquillas SELECCIÓN BOQUILLAS Utilizar preferentemente boquillas con ángulo de pulverización de 60 y presión de 12 bar.
Boquillas Ejemplo Potencia caldera = 135 kW – rendimiento 90% Potencia en quemador = 135 : 0,9 = 150 kW es decir, se necesitan una boquilla de 150 kW a 60 y 12 bar de presión: 1° = 3,00 GPH
Bomba A - Caudal mínimo a 12 bar de presión B - Campo de regulación presión de salida C - Depresión máxima en aspiración F - Presión máx. en aspiración y retorno G - Regulación de la presión en fábrica BOMBA 1 - Aspiración G 1/4" 2 - Retorno G 1/4" 3 - Conexión manómetro G 1/8" 4 - Conexión vacuómetro G 1/8" 5 - Regulación presión
RENDIMIENTO EN LAS CALDERAS Las pérdidas globales de las calderas de calefacción incluyen: las pérdidas por humos y las pérdidas de superficie. Éstas últimas incluyen todas las pérdidas de la caldera producidas a través de su superficie: durante el funcionamiento del quemador, en forma de pérdidas por radiación y, en forma de pérdidas por disposición de servicio, durante los tiempos de parada.
