UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA FACULTAD DE INGENIERÍAS. Carrera de Ingeniería Mecánica

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA FACULTAD DE INGENIERÍAS Carrera de Ingeniería Mecánica Diseño de un caldero pirotubular, simulacion del control y calibracion basado en el Analisis Orsat Mediante Labview TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO OPCION EN PRODUCCION AUTOR: Piña Morocho Geovanny Gonzalo DIRECTOR: Ingeniero Fausto Castillo Cuenca, Junio 2008

2 DECLARACION Yo, Geovanny Gonzalo Piña Morocho declaro bajo juramento que el trabajo aquí escrito es de mi autoría, teniendo en cuenta de que por tratarse de un compendio es la recopilación de varios autores, el mismo no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de esta declaración cedo los derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido en la ley de propiedad intelectual, por su reglamento y por la normatividad institucional vigente. Firma: Geovanny Piña Morocho

3 CERTIFICACION Certifico que el siguiente trabajo fue desarrollado, por el Sr. Piña Morocho Geovanny Gonzalo, bajo mi supervisión. Atentamente, Ing. Fausto Castillo DIRECTOR DE TESIS

4 AGRADECIMIENTO Por que no creer? Que las utopías no son del todo imposibles, que los sueños no son solo sueños, que la realidad tiene mucho de fantasía.. Y que la fantasía es una mezcla de utopías, sueños y verdad, por que no soñar? Si se dice por ahí, que el mundo es de aquellos que se arriesgan a soñar, y que tienen el coraje de volver sus sueños realidad.. Gracias a todas las personas que durante estos años de estudios, estuvieron siempre ahí brindándome su apoyo, su amistad, y construyendo junto a mí el sueño que vivimos día a día. Un agradecimiento especial para el Ing. Fausto Castillo, ya que su valiosa experiencia y conocimientos, hizo posible la culminación de este proyecto.

5 DEDICATORIA Al gran arquitecto del Universo, a mi Madre querida, mis hermanos, y todas las personas que han sido parte fundamental de mí vida, durante estos años; Gracias totales.

6 ÍNDICE DE CONTENIDOS Pág. INTRODUCCION CAPITULO I: ANALISIS ORSAT Definición análisis ORSAT Análisis de gases La Combustión El Aire Teórico Relación Aire-Combustible 1.2 Aparato de ORSAT Principio del analizador de gases Descripción del equipo Descripción de Componentes Equipos y reactivos Funcionamiento Precauciones del uso del ORSAT Cálculos fundamentados en el análisis ORSAT Cromatografía Empresa fabricante Modelos de aparatos ORSAT 1.3 Procedimiento de laboratorio CAPITULO II: DISEÑO DE UN CALDERO PIROTUBULAR 2.1 Definición de Caldera 2.2 Clasificación de las Calderas 15 16

7 2.3 Tipos de calderas Clasificación de las calderas por su diseño Acuotubulares Pirotubulares Líneas de agua y combustible en una caldera Flujo agua-vapor-condensado Flujo combustible/comburente-gases de combustión 2.5 Partes constitutivas de la caldera 2.6 Eficiencia 2.7 Agua para calderas El agua de alimentación de las calderas Dureza del agua Lodos e incrustaciones Corrosión Purificación de las aguas para calderas Eliminación de las materias en suspensión Eliminación del aire y CO 2 disueltos Ablandamiento de Aguas Destilación Métodos basados en intercambio iónico Métodos químicos para el ablandamiento de aguas 2.8 Ciclos de fuerza de vapor Ciclos de fuerza de vapor Definición de ciclo de vapor Rendimiento térmico Ciclo de vapor de carnot Ciclo Rankine, el ciclo ideal para ciclos de potencia de vapor

8 Análisis de energía del ciclo Rankine ideal Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine Cálculos de un caldero pirotubular de tes pasos Estudio de la potencia del caldero Estudio del cuerpo Estudio de los tubos Estudio del área de calefacción Estudio del numero de tubos Distribución de tubos en el espejo Estudio del diámetro del espejo Estudio del hogar Estudio del área para acumulación de vapor Estudio del tanque de agua Estudio de la potencia de la bomba de agua Estudio del trabajo de la bomba (hw) Calculo del combustible necesario para la caldera Caudal volumétrico del combustible Selección del quemador Balance estequiometrico CAPITULO III: SIMULACION DEL FUNCIONAMIENTO DEL CALDERO MEDIANTE LAB VIEW 3.1 Descripción general del funcionamiento de la caldera Secuencias de mando del caldero 3.2 Secuencia principal 3.3 Control de condiciones iniciales

9 3.3.1 Control inicial de nivel de agua Control inicial de presión Operación del caldero automático 3.4 Control de Encendido Tiempo de prepurga y postpurga Arranque del quemador en bajo fuego 3.5 Control de operación Control de límites de presión Chequeo de fotocélula Control del damper en posición de alto fuego Control del damper en posición de bajo fuego Control de nivel de agua de la caldera en funcionamiento 3.6 Control de alarmas 3.7. Sistemas de controles e instrumentación 3.8 Control de nivel de agua para calderas de tubos de fuego Control por Electrodos Control del Nivel Accionado por Flotador De Accionamiento Mecánico 3.9 Quemador y sistema de control de combustión Componentes Comunes de un Quemador Flujo de Combustible en el caldero Sistema de Control de Combustión Clasificación de los Sistemas Sistemas de Seguridad y Protección 3.10 Detección de la llama Fotocélula de Sulfuro de Cadmio Detector de Llama Infrarrojo

10 Tubo Detector Ultravioleta 3.11 Protección frente a contraexplosiones 3.12 Control de tasa calórica 3.13 Modulación del fogueo 3.14 Controles de interbloqueo del quemador 3.15 Programadores Control de Prendido y Apagado (ON-OFF) entre Límites Control de Posición Control de Medida 3.16 Control primario 3.17 Controles programados 3.18 Control de presión 3.19 Razones para la regulación de presión 3.20 Acciones del control de operación y del control de modulación 3.21 Válvula de seguridad Operación de la Válvula de Seguridad 3.22 Labview Principales usos Principales características Adquisición de señales Exhibición de magnitudes Procesamiento de datos Desarrollo de la interfaz hombre maquina bajo Labview Fallas en calderas CONCLUSIONES RECOMENDACIONES

11 BIBLIOGRAFIA ANEXOS ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Factores de conversión entre las diferentes medidas de dureza Tabla 2.2 Dimensiones y Presiones de trabajo tubería de Cedula (Pipe) ASTM A Tabla 2.3 Tabla 2.2 Datos de bombas de agua, catalogo Cleaver Brooks Tabla 2.4 Descripción de aceites combustibles Tabla 2.5Composición Química del Fuel Oil Tabla 2.6 Composición aire atmosférico

12 ÍNDICE DE LÁMINAS Lamina Nº 1 Plano caldero industrial Lamina Nº 2 Circuito control programador Lamina Nº 3 Circuito de fuerza Lamina Nº 4 Diagrama de cableado eléctrico Lamina Nº 5 Distribución de Tuberías Lamina Nº 6 Diagrama de cableado del programador Lamina Nº 7 Conjunto caldero Lamina Nº 8 Tuberías y hogar Lamina Nº 9 Carrete 1 Lamina Nº 10 Aislante carcasa Lamina Nº 11 Base caldera Lamina Nº 12 Carrete 2 Lamina Nº 13 Espejo deflector Lamina Nº 14 Brida de mantenimiento Lamina Nº 15 Carcasa vista lateral Lamina Nº 16 Carcasa vista superior Lamina Nº 17 Carrete 1 Lamina Nº 18 Carrete 2 Lamina Nº 19 Deflector Lamina Nº 20 Espejo Lamina Nº 21 Omega 1 Lamina Nº 22 Omega 2 Lamina Nº 23 Base Lamina Nº 24 Refractario tapa Lamina Nº 25 Refractario Carrete Lamina Nº 26 Tapa parte 1 Lamina Nº 27 Tapa parte 2 Lamina Nº 28 Tapa parte 3 Lamina Nº 29 Tapa frontal Lamina Nº 30 Tapa frontal de mantenimiento Lamina Nº 31 Tubo para hogar

13 INTRODUCCION: Las calderas son maquinas que generan vapor de agua, el cual se lo utiliza en la industria sobre todo como generador de energía mecánica y transmisor de energía calórica. El vapor es una herramienta para la industria se produce evaporando agua, sus condiciones se ajustan con mucha facilidad controlando presiones y temperaturas, y transporta cantidades importantes de energía con pocas masas haciendo que las unidades de generación denominadas calderas no sean excesivamente grandes; por lo que tiene diversas aplicaciones dentro de 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. La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 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. Los usos que se le dan hoy en día al vapor no se comparan con los usos que tenía durante el siglo XIX, cuando el carbón era el motor del desarrollo industrial. El carbón se utilizaba como combustible en las calderas de vapor, mientras que el vapor movió los ferrocarriles, los barcos, los primeros automóviles y la industria en general. No fue hasta

14 el desarrollo del motor de combustión interna y el refinado de los gases naturales y el petróleo que el carbón y el vapor dejaron de ser usados como generadores de movimiento en el transporte, y aún cuando el carbón fue totalmente reemplazado en la industria, el vapor siguió siendo una fuente de energía calorífica para diferentes procesos. Las calderas de vapor, como cualquier otro elemento de la industria moderna, se ven beneficiadas ampliamente en su eficiencia y seguridad al ser controladas automáticamente en vez de depender del control manual para su funcionamiento. Sobre todo porque al ser un proceso termodinámico es inherentemente lento y el controlador automático tiende a reaccionar con mayor velocidad y precisión que el controlador humano. El trabajo consta de tres partes esenciales, abordando en primera instancia el estudio de los humerales del caldero industrial conocido como análisis ORSAT, en la segunda parte se busca desarrollar el proceso de cálculo, y consideraciones necesarias para el diseño de un caldero industrial Pirotubular terminando con una simulación y control del funcionamiento del caldero, en base a un software de control LAB VIEW.

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16 CAPITULO 1 ANALISIS ORSAT En este capitulo se describe el funcionamiento y detalles generales del estudio ORSAT, sus partes constitutivas y el proceso de operación dentro de los humerales de la caldera. Resaltando que este método de inspección requiere, un manejo muy profesional y responsable, ya que de este dependerá el correcto funcionamiento de nuestra caldera, y la eficiencia de trabajo de la misma. 1.1 DEFINICION ANALISIS ORSAT Análisis de gases El control de los gases de combustión, tanto de consumo en fábrica, cuanto de los humos producto que se han de emitir a la atmósfera, es una operación importante de la ingeniería química. Las posibilidades de análisis de gases son muy amplias de manera que son muy útiles los aparatos para análisis de humos fundados en fenómenos puramente físicos, y especialmente los de lectura continua en instalaciones fijas. Para medidas de control discontinuas se dispone actualmente de instrumental muy útil y preciso, específico para el gas a medir, que por medio de una jeringa de reacción proporciona la lectura inmediata sin ninguna complicación analítica. De otro lado el mercado suministra equipos analíticos electrónicos, que proporcionan de manera continua, con presentación digital o gráfica el contenido concreto de interés. Con todo, el aparato clásico de Orsat sigue siendo el analizador tipo incluso para contrastar los métodos que no utilizan líquidos de absorción.

17 Es importante en las grandes industrias para la verificación de los aparatos físicos de análisis de humos, y en una industria pequeña que tenga planteados problemas de control o de emisiones, es el único aparato que interesa, aunque solo sea por su bajo precio y costo de mantenimiento. Muchos de los dispositivos utilizados para producir potencia mecánica parten del calor para lograr tal fin. Ejemplos son los motores de combustión interna, las plantas de vapor y las turbinas de gas. Una de las formas más económicas de generar este calor es a través de un proceso de combustión. Por supuesto que la cantidad de calor obtenida durante la combustión depende, entre otros factores, de la eficiencia con que se realice este proceso, por lo cual es conveniente hacerle seguimiento para poder corregir posibles problemas. Una forma es hallando la composición de los gases que se producen en el proceso, lo cual permite determinar si la combustión es completa o no, la cantidad de aire utilizada e, incluso, la composición aproximada del combustible que se está quemando. Un importante grupo de combustibles es aquél que está formado principalmente por carbono (C) e hidrógeno (H2), usualmente conocidos como hidrocarburos y denotados a través de la fórmula química CnHm La combustión La combustión es la oxidación de todos aquellos componentes de un combustible capaces de ser oxidados y se representa por una ecuación química donde la masa de cada elemento permanece inalterable. La mayoría de los procesos de combustión se realizan con aire (oxígeno+nitrógeno+argón), ya que de esta forma el oxígeno no implica costo alguno. La composición del aire es 70.1% de nitrógeno, 20.9% de oxígeno, 0.9% de argón y 0.1% de otros gases. Normalmente el argón es considerado como nitrógeno y se desprecia la cantidad de otros gases, por lo cual la composición del aire puede simplificarse como 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno. Esto quiere decir que cada kmol de oxígeno estará acompañado de 3.76 kmol de nitrógeno en el proceso de combustión. Una combustión es completa cuando todos los componentes del combustible capaces de ser oxidados, se oxidan por completo; y es incompleta cuando aparecen en

18 los productos trazas o restos de combustible, en forma del propio combustible (CnHm) o sus componentes oxidados parcialmente (CO, OH) El aire teórico El aire teórico es la mínima cantidad de aire capaz de suministrar el oxígeno suficiente para lograr la combustión completa de todos los componentes del combustible susceptibles de ser oxidados. En una combustión con el aire teórico no se obtiene oxígeno en los productos. Sin embargo en la realidad, debido a los problemas técnicos que implica conseguir una mezcla aire-combustible homogénea, suele usarse más aire del teórico, para así tratar de acercarse lo más posible a una combustión completa. La relación entre el aire real y el aire teórico es conocida como el porcentaje de aire teórico y la diferencia entre el aire real y el teórico como exceso o déficit de aire, según sea el caso Relación aire-combustible Es la relación entre la masa o moles de aire y la masa o moles de combustible, y es lo que nos garantiza una buena combustión. 1.2 APARATO DE ORSAT El primer equipo de sus características se debe a Regnault y Reiset que lo presentaron a la J. Ch. Soc. De Londres en 1853, si bien su modificación por Fisher sirvió de base a Orsat en 1875 para su perfeccionamiento; y aunque a sufrido continuas y constantes modificaciones que mejoran la apreciación de los resultados, a mantenido el nombre de ese último investigador. Su uso se destina al análisis de componentes de una mezcla de gases de diversa naturaleza, aunque la aplicación más característica es la determinación de dióxido de carbono, oxígeno, hidrogeno, hidrocarburos pesados, metano, monóxido de carbono y nitrógeno. 1 1"ORSAT ",.wikibooks.org.

19 El Químico JUSTUS VON BARON, LIEBIG. Químico Alemán perfecciona el método de análisis orgánico, el elaboró un proceso de análisis cuantitativo orgánico de la combustión que fundamento las bases para que el químico M. ORSAT a finales del siglo XIX elaborara un dispositivo para el análisis de los productos de la combustión. Sin embargo antes del Aparato de Orsat existió el aparato de M. Regnault (L eudiometre) poseía fallas y errores tales como no poder controlar eficazmente cambios de temperatura y presión, así dio paso al aparato de M. Orsat. Las muestras analizadas inicialmente eran productos de la combustión generados por chimeneas industriales, este aparato se prestaba mas para los laboratorios por su fácil manejo y control sobre determinadas condiciones. A través de los años el Aparato de Orsat fue de gran utilidad en la industria hasta que en la década de los sesenta se detiene la fabricación por parte de la casa FISHER. Entidad que desde entonces comienza a ofertar el Cromatógrafo de gases en sus catálogos Principio del analizador de gases Se trata de un análisis volumétrico restringido a la medición de volúmenes de gases. Un volumen medido de una mezcla de gases, a presión y temperatura conocidas, se somete a la acción de reactivos químicos selectivos absorbentes (para separar en procesos sucesivos los distintos constituyentes, cuyas cantidades se determinan al ser eliminados de la mezcla, por la disminución de volumen). Si no se dispone de un absorbente adecuado, (el metano), se puede mezclar con un exceso de otro gas (oxígeno), con el que reaccione químicamente, permitiendo determinar así el volumen que se produce Descripción del equipo El aparato se compone de una bureta con camisa de agua de 100 ml. de capacidad, conectada, mediante un tubo capilar múltiple a varios recipientes de absorción, que contienen sucesivamente diferentes soluciones absorbentes, y un horno de combustión que contiene un tubo de cuarzo, una resistencia eléctrica y un reóstato de

20 regulación. La bureta y el frasco del nivel con el cual esta unido, contienen agua débilmente acidulada y coloreada con un indicador (naranja de metilo). La muestra de gas se lleva al aparto pasando por una llave de tres vías Descripción de componentes a) Accesorios: Terminal de la rampa por donde entra el gas. Llave de paso con una salida posterior auxiliar utilizada para el purgado de las tuberías y del aparato. Bureta de 100mL. Graduada en 1/5. b) Cámaras. De borboteo, para absorber el anhídrido carbónico con solución de potasa cáustica al 30%. De contacto, para absorción de hidrocarburos pesados con agua de Bromo. De contacto, para la absorción de oxígeno con solución de pirogalato potásico. De borboteo, para la absorción del monóxido de carbono con solución de cloruro cuproso en ácido clorhídrico. Otra cámara de borboteo se utiliza para la solución agotada y otra para la solución reciente. c) Horno de combustión. Compuesto de un tubo de cuarzo, la resistencia eléctrica, el reóstato de regulación y la toma de corriente situada la derecha de la cámara. El conjunto tubo de cuarzo-resistencia va envuelto en un refrigerante de circulación de gas. d) Bureta.

21 Unida en su parte inferior, por medio de un tubo de goma a un frasco en el que se colocan aproximadamente 200 ml. De agua destilada ligeramente acidulada con sulfúrico y unas gotas de anaranjado de metilo para que el nivel sea mas visible Equipos y reactivos. El único equipo que se necesita es un frasco toma muestras, si la muestra no se ha de tomar directamente del foco emisor. carbono). Solución acuosa de potasa cáustica al 30% (para la absorción de dióxido de Agua de bromo. Preparar una solución de bromo en una solución de bromuro de potasico al 10%(para absorción de hidrocarburos saturados). Solución de pirogalato potásico. Solución de ácido pirogalico en potasa cáustica al 30% (para absorción del oxígeno). Solución de hiposulfito sódico (Opcional. Si no se dispone de la solución de pirogalato, y en sustitución de aquella). Disolver 125g. de hiposulfito sódico en una solución del 10% de hidróxido de sodio. No es estable. Solución de cloruro cuproso amoniacal. Disolver 75 g. de cloruro cuproso y 50g de cloruro de amonio en amoniaco. Completar hasta 1L. Se conserva con hilos de cobre en el interior. (Para determinación del monóxido de carbono) Funcionamiento Dicho aparato consiste en una bureta graduada de cincuenta mililitros o cien ml, con escala de cero a cien, conectada por su parte inferior por medio de un tubo de goma a un frasco nivelador, y en su parte superior a tres (3) recipientes dobles que contienen sustancias apropiadas para absorber los tres gases objeto de la medición. Cada uno de los tres recipientes consisten en dos tubos anchos unidos por un tubo pequeño en forma de U, todos con una válvula que permite el paso y la salida del gas que es objeto de análisis; la bureta esta rodeada por un cilindro lleno de agua con el objeto de mantener la temperatura del gas.

22 FIGURA 1.1. Aparato Orsat En el primer recipiente se coloca una solución de hidróxido de sodio (33 gramos en 100 centímetros cúbicos de agua) esta absorbe el dioxido de carbono, en el segundo recipiente se coloca una mezcla de dos soluciones, (10 gramos de ácido pirogalico en 25

23 centímetros cúbicos de agua y potasa cáustica en la misma proporción que en el envase numero 1), esta mezcla absorbe el O 2 (oxigeno); en el tercer recipiente se coloca cloruro cuproso (250 gramos de cloruro amonico en 750 centímetros cúbicos de agua y se agregan 250 gramos de cloruro cuproso); conviene colocar en el frasco que contiene los reactivos algunos tejidos de cobre para que haya mayor absorción. Los motores de combustión interna poseen varios cilindros en los motores equipados con carburador, solo una pequeña porción de combustible vaporizado se separan en el múltiple de admisión las gotas y se dirigen a los distintos cilindros, lo que se traduce en una variación de la relación aire- combustible, a su vez se origina en la entrada de cada uno de los cilindros una variación sustancial de la composición de los gases de escape, por esto es necesario realizar el análisis con diferentes muestras y luego promediar los resultados. Se puede observar en el manual de la casa FISHER, un aparato que posee dos pipetas de absorción mas una contiene un reactivo, ácido sulfúrico que se encarga de absorber CO, O, CO 2 en caso de que reste algo en la muestra la otra pipeta se denomina pipeta de absorción de baja combustión, consiste en una resistencia graduada con un reóstato para que la luz sea de un amarillo brillante, esta pipeta se encarga de quemar los hidrocarburos no saturados al exponer la muestra a la resistencia por un tiempo determinado Precauciones en el uso del Orsat El aparato de Orsat no es un instrumento de precisión. En efecto, hay que tomar muchas precauciones para obtener resultados satisfactorios para fines de ingeniería. Un posible error en el análisis Orsat, es aquel ocurrido debido a las fugas en las líneas de transferencia y en el Orsat mismo, es necesario el uso de válvulas de vidrio esmerilado, aunque estos son difíciles de mantener herméticos. Para minimizar las fugas en los grifos deben cubrirse de una ligera capa de grasa especial y apretar fuertemente contra sus asientos al moverlos. Estas conexiones deben examinarse frecuentemente para comprobar si están bien ajustadas y no tienen ralladuras. El Orsat puede probarse admitiendo y midiendo cierta cantidad de aire, por ejemplo, de 90 a 100 ml se eleva la botella de nivelación para someter el aire a presión y

24 se le mantiene en esta posición elevada durante unos 10 minutos o más, se vuelve a medir la cantidad de aire en la bureta, comparándola con la medición original de admisión; si ha habido una disminución es que hay una fuga y habrá que investigar sus orígenes. Este método no pone en evidencia las fugas que se producen en el lado de los reactivos de los grifos de las pipetas, normalmente hay un pequeño grado de vacío en las pipetas de los reactivos. También hay que tener especial cuidado con los reactivos por cuanto su capacidad de absorción disminuye con el tiempo Cálculos fundamentados en el análisis Orsat Los componentes son removidos por absorción directa en el siguiente orden: dioxido de carbono, hidrocarburos no saturados, oxígeno y monóxido de carbono. Lo que resta en la muestra es hidrogeno e hidrocarburos saturados, por lo tanto el cálculo del porcentaje absorbido se determina en la siguiente ecuación según el catalogo de la casa FISHER: % componente ( decremento.. en.. el.. volumen) * 100 ( muestra.. de.. volumen) Cromatografía Técnica de separación e identificación utilizada en el análisis químico, tanto cualitativo como cuantitativo 2 La cromatografía permite en efecto, separar y reconocer los diversos componentes de soluciones y mezclas gaseosas. El cromatógrafo de gases es la herramienta técnica empleada para estos fines Empresa fabricante 2 Enciclopedia de la Técnica y de la Mecánica. Tomo 3, 1981, Pág. 137.

25 La FICHER SCIENTIFIC COMPANY PITTSBURGH, PENNSYLVANIA en su división para construcción de instrumentos, es la encargada del diseño y ensamble de estos equipos, el Aparato Orsat en todas sus variedades, aunque en una revisión de un catalogo de ventas del año 1992 ya no aparece oferta de este aparato, esta casa matriz ahora se encarga de la fabricación de los cromatógrafos de gases instrumento mucho mas sofisticado que el ORSAT. Se encontró en una reseña bibliográfica que esta casa había dejado de fabricar el aparato de Orsat a finales de la década de los Modelos de aparato Orsat: Los modelos de aparato Orsat tienen en común la mayoría de sus componentes conformado por: a) Manifold. b) Pipetas de gas o pipetas capilares. c) Camisa de agua. d) Botella niveladora. e) Bolsas de gas. f) Tubería de goma. Varían es en el numero de pipetas a usar y en los reactivos contenidos en estas pipetas, es decir aparte de medir CO 2, CO, O hay modelos que miden los hidrocarburos no saturados con una pipeta extra cuyo contenido es ácido sulfúrico, el APARATO ORSAT también mide a través de la pipeta de combustión lenta (CO, CO 2, O, HIDROCARBUROS NO SATURADOS, Y OTROS GASES COMBUSTIBLES NO QUEMADOS). La pipeta de combustión lenta es una ampolla con una resistencia que posee un reóstato para regular la temperatura de esta PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO Los productos a analizar corresponden a los gases producidos por un motor de combustión interna. Los pasos a seguir para el manejo del Orsat son los siguientes:

26 a) Llevar el nivel de los reactivos en las distintas pipetas hasta las marcas grabadas en los cuellos, lo cual se hace abriendo el grifo de cada pipeta con la botella de nivelación en una posición elevada y bajando luego lentamente la botella hasta que el reactivo alcance el nivel correcto. b) Purgar la manguera de recoger la muestra, el múltiple y la bureta medidora con el gas objeto de análisis. Para ello conectar la manguera al tubo de escape del motor, abrir la válvula V-1, succionar gases bajando la botella niveladora, cerrar la válvula V-1 y abrir la V-5 y expulsar los gases subiendo la botella niveladora. Repetir esta operación cinco veces. c) Tomar la muestra definitiva (algo más de 100 ml) abriendo la válvula V-1 y bajando la botella niveladora. Cerrar la válvula. d) Elevar la botella niveladora hasta que el menisco se nivele con la lectura de 100 ml. En este momento estrangular la manguera de la botella niveladora con una pinza, abrir y cerrar la válvula V-5, quitar la pinza, igualar los niveles de líquido en la bureta y la botella y verificar que la lectura sea 100 ml. En este momento se tienen 100 ml de gases a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo cual permitirá leer directamente porcentajes. e) Absorber los componentes de la muestra en este orden: CO2, O2 y CO. Para ello, elevar la botella niveladora para ejercer una ligera presión sobre la muestra, abrir la válvula correspondiente (V-4, V-3 o V-2) para comunicar los gases con el reactivo, subir la botella para forzar los gases a entrar en la pipeta del reactivo, regresar la muestra a la bureta bajando la botella, llevar el reactivo al nivel de referencia y cerrar la válvula de acceso. f) Igualar los niveles del líquido en la bureta y la botella y tomar la lectura. Repetir el procedimiento anterior con cada reactivo hasta que no se detecte cambie de volumen. Esto indica que se absorbió todo el gas, ya sea CO2, O2 o CO.

27 FIGURA 1.2 Variación del rendimiento en función de la temperatura de humos a diferentes excesos de aire, combustible Fuel oil FIGURA 1.3 Análisis orsat en combustión Fuel-Oil

28 FIGURA 1.4 Ahorro de combustible por disminución de exceso de aire

29 CAPITULO 2 DISEÑO DE UN CALDERO PIROTUBULAR En este capítulo se dan conceptos y conocimientos generales de lo que es un caldero, y cómo está constituido, su proceso de funcionamiento y operación abordando luego cálculos para su diseño, así como planos y dibujos referenciales para su desarrollo. 2.1 DEFINICIÓN DE CALDERA Caldera, dispositivo utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a la atmosférica mediante un proceso de transferencia térmica. Las calderas se componen de un compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor.1 Una caldera es una máquina o instalación, diseñada y construida para producir vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desde pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la 1 "Caldera ", Enciclopedia Microsoft Encarta Microsoft Corporation.

30 alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones. La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión, tan común en nuestros hogares. En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como un combustible, electricidad etc. para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de ebullición del agua, pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente vacío, conocido como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el proceso en cuestión. Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades del proceso son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera, especialmente en las grandes instalaciones industriales. FIGURA 2.1 Partes Caldera 2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Se clasifican según diversos criterios, relacionados con la disposición de los fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, aspectos

31 estructurales, modo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible, forma de alimentación del agua y otros muchos factores Basándonos en algunos de estos criterios las calderas se pueden clasificar en: a) Por la disposición de los fluidos De tubos de agua (Acuotubulares) De tubos de humo (Pirotubulares) b) Por la posición del tambor o hervidor Verticales Horizontales c) Por la posición de los tubos Verticales Horizontales Inclinados d) Por el número de pasos Un paso Dos pasos Tres o más pasos e) Por la circulación del agua De circulación natural De circulación asistida De circulación forzada f) Por el mecanismo de transmisión de calor dominante De convección De radiación De radiación y convección g) Por el combustible empleado De carbón (de parrilla mecánica o de carbón pulverizado) De combustibles líquidos De combustibles gaseosos De combustibles especiales (Bagazo, etc.) Nucleares (uranio natural, enriquecido, etc.) h) Por la presión de trabajo

32 Subcríticas De baja presión (menor a 20 kg/cm2) De media presión (entre 20 y 64 Kg/cm2) De alta presión (mayor a 64 kg/cm2) Supercríticas Í) Por el tiro De tiro natural De hogar presurizado De hogar equilibrado j) Por el tipo de construcción De montaje en fábrica, (calderas compactas o tipo paquete) De montaje en campo k) Por el modo de gobernar la operación De operación manual Semiautomáticos Automáticos l) Clasificación por los materiales Calderas de fundición Calderas de acero Calderas murales 2.3 TIPOS DE CALDERAS Clasificación de las calderas por su diseño Acuotubulares Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) en éstas el agua circula por dentro de los tubos, bañados exteriormente por los gases, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. 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

33 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 originalmente construidas para uso con combustibles sólidos, mientras que son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o diesel. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. FIGURA 2.2 Caldera Acuotubular Pirotubulares. La caldera de vapor pirotubular, (Calderas de tubos de Humo), en éstas los humos pasan por dentro de los tubos, y el agua baña a éstos por fuera, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características. Los gases muy calientes procedentes de un quemador, se conducen a través de múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una chimenea de salida al exterior. Estos tubos se conocen como tubos de fuego.

34 Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y haciéndola hervir, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso. Una válvula de seguridad calibrada, impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera. FIGURA 2.3 Caldera Pirotubular 2.4. LÍNEAS DE AGUA Y COMBUSTIBLE EN UNA CALDERA Es importante hablar de los dos flujos que tienen lugar en las calderas para comprender su funcionamiento Flujo agua - vapor - condensado. El agua previamente tratada que se alimenta a la caldera, es calentada hasta que se transforma en vapor por el calor recibido, éste vapor se lo transporta hasta los puntos de consumo donde pierden su calor de condensación y cambian a fase líquida. Con el objeto de evitar choques térmicos en las estructuras de la caldera y porque el condensado ya no necesita ser tratado, se lo suele retomar como agua de alimentación para iniciar nuevamente el proceso, a esto lo llamamos línea de agua Flujo combustible/comburente - gases de la combustión.

35 El combustible es preparado según su naturaleza para que correctamente atomizado, se mezcle con el comburente (aire por lo general) y se queme lográndose la presencia de llama producida por la combustión. La energía química se transforma en energía calórica, que contenida en los gases resultados de la combustión, es transferida y aprovechada para calentar el agua en la caldera. Estos gases atraviesan la caldera y son despedidos por la chimenea con la menor cantidad de calor posible, conocido como línea de combustible. 2.5 PARTES CONSTITUTIVAS DE LA CALDERA En forma general una caldera está constituida por los siguientes elementos principales: Superficies Evaporativas o Caldera propiamente dicha. Hogar. Quemador Conductos para la alimentación de aire para la combustión y de evacuación de los gases productos de la combustión, incluyendo la chimenea. Equipos y Mecanismos Auxiliares (Tanques de Alimentación, Bombas de alimentación, tratamiento de agua. Ventiladores de Tiro inducido y forzado, etc.) FIGURA 2.4 Vista en Perspectiva Caldera Pirotubular

36 Componentes de Seguridad de una caldera Válvulas de Seguridad o Alivio Detector de llama o Foto celda Control de presión de seguridad o límite Control auxiliar de bajo nivel de agua Alarmas tipo acústica o visual Con el fin de la mayor eficiencia en la utilización de la energía del combustible, las calderas pueden contar con otras superficies de calentamiento tales como: Economízadores Sobrecalentador Calentadores de Aire El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor. La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos. El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones e instalación 2.6. EFICIENCIA La eficiencia de una caldera de vapor está determinada como el porcentaje de combustible que se convierte en energía calórica para generar el vapor. El método utilizado para calcular este parámetro generalmente es el de pérdidas de calor, en el que se suman las pérdidas individuales de calor como un porcentaje de la energía suministrada y se le resta al 100%. El valor del punto de operación normal de las

37 calderas industriales es 80% y el rango de operación normalmente varía entre 65% y 85%. Los pasos para asegurar un sistema eficiente son aquellos en los que se reduce la pérdida de calor. Se recomienda: 1. Asegurar una adecuada combustión. Éste proceso varía sensiblemente dependiendo del combustible utilizado, sin embargo se deben seguir las recomendaciones tanto del proveedor del combustible como del fabricante del quemador. Se debe alimentar el quemador con la proporción adecuada combustible-aire y asegurar la limpieza del quemador. 2. Eliminar las pérdidas de calor. Éstas se dan con mayor frecuencia por las chimeneas, radiación y purgas de calor y puede representar pérdidas de hasta 30% de eficiencia en los peores casos. En las chimeneas es necesaria el adecuado mantenimiento y el seguimiento de las normas del fabricante. Para disminuir las pérdidas por radiación, ya que es imposible eliminarlas por completo, se recomienda aislar las paredes del hogar de caldera y de la caldera en general. La caldera aislada adecuadamente no debería presentar pérdidas de más del 3%. 3. Considerar la recuperación del calor. Los economizadores y precalentadores de aire son instrumentos opcionales que mejoran la eficiencia de una caldera al utilizar el calor sobrante de los gases que ya han sido utilizados para calentar el agua y precalentar tanto el agua de alimentación como el aire de combustión. Los equipos de soplado y lavado utilizan el vapor sobrecalentado o el aire comprimido seco como medios de limpieza dentro de la caldera. 2.7 AGUA PARA CALDERAS En relación a tratamientos de agua para calderas, se va a estudiar la utilización de compuestos inorgánicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarán que dicha incrustación continúe creciendo, pero la incrustación formada no sufrirá disminución alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificación) por tanto la desincrustación se deberá realizar manualmente o por medio de recirculación de

38 ácidos teniendo este último los riesgos correspondientes y en ambas opciones se tendrá que parar el funcionamiento del equipo El agua de alimentación de las calderas Las aguas que se emplean para la alimentación de las calderas arrastran, por lo general, materias sólidas en suspensión, como arena, arcilla, etc., y llevan disueltas diversas sales que por la acción del calor, precipitan. Antiguamente, cuando las presiones de trabajo eran pequeñas lo mismo que la vaporización horaria, no se prestó mucha atención a la calidad del agua, permitiéndose la acumulación de incrustaciones y barros que mayormente no ofrecían inconvenientes serios, siempre que la caldera fuese purgada y limpiada con cierta frecuencia Dureza del agua Un agua puede contener mucha cantidad de sustancias disueltas y sin embargo no ser dura. La dureza de las aguas se debe a las sales calcicas o magnésicas que contiene en disolución (dureza total). Es comente expresar la dureza en grados de dureza o grados hidrotimétricos. Hay tres escalas a este respecto, la alemana, la francesa y la inglesa. En USA se expresa la dureza en partes por millón (p.p.m.) de carbonato de calcio. El grado francés corresponde a una parte del carbonato de calcio en partes de agua. 1º (francés)= 1Omg de C03Ca/l de agua El grado inglés corresponde a una parte del carbonato de calcio en partes de agua. 1º (ingles)= 14,28mg de C03Ca/l de agua El grado alemán corresponde a una parte de oxido de calcio en partes de agua. 1º (alemán)= 1Omg de CaO/l de agua=7,19 m MgO/l de agua Las equivalencias entre los diferentes métodos están en la tabla a continuación: Dentro de las sales calcicas y magnésicas contenidas ordinariamente en las aguas naturales, se pueden distinguir dos grupos:

39 TABLA 2.1 De Factores fe conversión entre las diferentes medidas de dureza p.p.m. 1º Francés 1º Ingles 1º Alemán p.p.m. x º Francés 10 x º Ingles x º Alemán x Lodos e incrustaciones Las sales de calcio y magnesio, disueltas bajo forma de bicarbonatos, pierden anhídrido carbónico al calentarse, y se depositan bajo forma de carbonatas; el sulfato calcico, cuya solubilidad disminuye a partir de los 35 C., también se precipita de una manera más sensible todavía. Tanto las materias en suspensión en el agua como la precipitación de sales, da lugar a la formación de depósitos en las paredes de las calderas, que pueden ser pulverulentos y poco adherentes y, por tanto, fáciles de quitar, o sumamente adherentes, hasta el punto de que no se separan si no se recurre al escoplo y cortafríos. Los primeros conocidos con el nombre de lodos, y de incrustaciones los segundos. Los graves inconvenientes que la formación de estos depósitos tienen para el buen funcionamiento y conservación de las calderas; es el hecho de que una capa de sulfato calcico opone al paso del calor la misma resistencia que una plancha de fundición de espesor veinte veces mayor. Para evitar la formación de depósitos en las paredes de las calderas se pueden seguir varios procedimientos. Desde luego, el más radical consiste en el empleo del agua destilada. Las aguas de lluvia y las que proceden de la fusión de las nieves pueden considerarse como puras para estos efectos, pero hay el inconveniente de la dificultad para recogerlas y el no poder disponer de ellas en todo momento Corrosión

40 Algunas sales resultan perjudiciales aun cuando su presencia, en el agua sea muy pequeña. Entre ellas se encuentra el Cl 2 Mg, el S0 4 Mg, el (NO 3 ) 2 Mg y el Cl 2 Ca; todas sales inestables en las condiciones reinantes en las calderas y que al descomponerse, producen ácidos libres. El CI 2 Mg al hidrolizarse, por la acción del calor, produce Clh que ataca al hierro, apareciendo cloruro de hierro, el que se descompone, regenerándose el ClH, iniciándose otra vez el ciclo de corrosión. Lo mismo ocurre con el (NO 3 ) 2 Mg: en este caso aparece hidróxido de hierro y ácido nítrico. El CO 2, disuelto en el agua, también es de acción corrosiva. Otro agente de corrosión es el aire disuelto en el agua que produce una oxidación lenta. Muchas aguas contienen ácidos en disolución o pueden producirlos, como sucede con las que llevan disuelto cloruro magnésico, el cual por el calor se descompone, dando ácido clorhídrico; las aguas de estas condiciones deben neutralizarse mediante la cal o la sosa cáustica. Las grasas de origen animal o vegetal también son descompuestas por el calor, con formación de ácidos. En las calderas se disponen, a veces, en su interior unas láminas de cinc que forman con el hierro de la plancha un par voltaico; el cinc es atacado y el hidrógeno se desprende sobre la plancha, impidiendo la adherencia de los depósitos (método electroquímico). Las corrosiones pueden ser interiores y exteriores; unas y otras, disminuyen el espesor de la plancha que constituye las paredes de la caldera y contribuyen a reducir su resistencia Purificación de las aguas para calderas Un tratamiento completo de las aguas para calderas exige la eliminación de todos los componentes que se hallan como materias en suspensión: gases disueltos y materias disueltas (dureza) Eliminación de las materias en suspensión

41 Se efectúa por filtración o sedimentación antes o después del tratamiento para eliminar la dureza, según la naturaleza de ésta. Raras veces se utilizan filtros cerrados, a presión; son más frecuentes los filtros por gravedad, con capas de arena como material filtrante. Para ayudar a los procesos de clarificación o filtración, es práctica corriente incorporar al agua una cierta dosis de (S0 4 } 3 Al 2 o SO 4 Fe. Estas sales se hidrolizan y dan los hidróxidos correspondientes, que actúan como floculante y retienen buena parte de las impurezas insolubles en el agua que son fácilmente filtrables o difícilmente sedimentables. La cantidad de sulfato de aluminio a incorporar al agua se suele calcular por la de (CO 3 H) 2 Ca; cada grado de dureza debida al bicarbonato reacciona con 40 mg de (SO 4 ) 3 AL 2.18H 2 O comercial (12 al 14% de Al 2 O 3 ). La dosis de sulfato debe ser tal que en el agua quede una dureza temporal entre ½ y 1º d. Los aparatos destinados a separar los cuerpos insolubles consisten en una serie de recipientes, por los cuales se hace circular el agua, mezclada con los reactivos, a una velocidad muy pequeña; dichos depósitos llevan en su fondo una llave, o registró, que permite extraer las sustancias precipitadas Eliminación del aire y CO2 disueltos Es preciso efectuarla para evitar corrosiones. Se utiliza para ello el hecho de que al elevar la temperatura o reducir la presión disminuye la solubilidad Industrialmente se utilizan ambos fenómenos: Calentamiento de agua y producción de vacío. Si la calefacción es por vapor directo, entonces la condensación de éste produce el vacío necesario; es preciso no obstante, un eyector de aire para arrastrar los gases desprendidos y no condensables Para mayor eficacia se trabaja con gran subdivisión de la masa de agua. Los aparatos funcionan con columnas de desorción (stripping). También para eliminar dichos gases se calienta el agua de alimentación entre 80º y 90º C., y se la deja caer en cascada para facilitar la desgasificacion. Los desgasificadores pueden clasificarse en: Tipo de bandeja Tipo de atomización Ablandamiento de las aguas

42 Tiene por objeto eliminar del agua los componentes salinos causantes de la dureza. Con tal fin se utilizan varios métodos que pueden ser físicos (destilación); fisicoquímicos (intercambio iónico) y químicos Destilación Es útil cuando es poca la cantidad de agua a ablandar con respecto al agua a evaporar en la caldera, es decir, se puede aplicar donde se utilizan los condensados o aguas de retorno. Sin embargo, para evitar las dificultades que puedan provenir de la contaminación de estas aguas en los condensadores, etc. lo corriente es hacer que preceda a la destilación una depuración química. La ventaja principal de la destilación es que da un agua que, por ser destilada, está casi desprovista de sales disueltas; pero es demasiado caro el proceso Métodos basados en intercambio iónico Utilizan zeolitas (aluminosilicatos de sodio), como la natrosita y la analcita. También se emplea la permutita, o sea una zeolita artificial obtenida por la fusión de una mezcla de cuarzo, caolín y carbonato sódico. Con esto, el agua pierde su dureza casi totalmente (la dureza residual no suele pasar la cifra de 5 p.p.m.), saliendo del tratamiento casi sin iones calcio pero con un mayor contenido de iones sodio. Esto puede ser una dificultad, pues el CO 3 HNa formado por intercambio, pasa en la caldera a CO 3 Na 2 que, por hidrólisis, libera iones OH-en cantidad tal que pueden producir la corrosión cáustica de la caldera. Para evitarla se añade al agua, después del intercambio, ácido sulfúrico o, mejor, fosfórico que forman las correspondientes sales sódicas (inhibidoras) a costa del carbonato y del bicarbonato Métodos químicos para el ablandamiento de aguas

43 Los cinco métodos más importantes para el ablandamiento de las aguas por vía química son: 1.- Método de la cal-sosa. 2.- Método de la sosa cáustica. 3.- Método de la sosa. 4-- Método del carbonato banco 5.- Método del fosfato sódico. En todos ellos la dureza desaparece por precipitación de los iones calcicos y magnésicos CICLOS DE FUERZA DE VAPOR

44 FIGURA 2.5 Caldero Pirotubular Ciclos de fuerza de vapor Definición ciclo de vapor Un CICLO DE VAPOR, es una serie de transformaciones por las cuales atraviesa un sistema de tal forma que sus estados inicial y final son los mismos. FIGURA 2.6. Representación Grafica de un ciclo Rendimiento térmico Se denomina rendimiento térmico del ciclo, al cociente entre la cantidad de trabajo producida por el ciclo, Wc, y la cantidad de calor que ha entrado al sistema, esto es: Wc Qe (3.1) Ciclo de vapor de Carnot El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, en el que se obtiene el máximo rendimiento térmico, y está constituido por dos procesos isotérmicos y dos isoentrópicos, si fuera

45 posible, se adoptaría como el ciclo ideal. Pero, como se explica a continuación, el ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. A lo largo de todo el análisis se considera al vapor como el fluido de trabajo, puesto que su empleo predomina en los ciclos de potencia de vapor. Considere un ciclo de Carnot de flujo estable ejecutado dentro de la curva de saturación de una sustancia pura como el agua, según se muestra en la figura 2.7 a. El agua se calienta de modo reversible e isotérmico en una caldera (proceso 1-2); tiene una expansión isoentrópica en una turbina (proceso 2-3); se condensa reversible e isotérmicamente en un condensador (proceso 3-4), y se comprime de manera isoentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial (proceso 4-1). Con este ciclo se asocian varias situaciones: 1. La transferencia isotérmica dé calor hacia o desde un sistema de dos fases no es difícil de alcanzar en la práctica, puesto que una presión constante en el dispositivo fijará automáticamente la temperatura en el valor de saturación. Siendo posible aproximar bastante los procesos 1-2 y 3-4 a los de las calderas y condensadores reales. Sin embargo, restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la temperatura máxima que puede emplearse en el ciclo (tiene que permanecer debajo del valor del punto crítico, que es de 374 C para el agua). Limitar la temperatura máxima en el ciclo restringe también la eficiencia térmica. 2. El proceso de expansión isoentrópica (proceso 2-3) puede lograrse por medio de una turbina bien diseñada. No obstante, la calidad del vapor disminuye durante este proceso, como se observa en el diagrama T-s de la figura 2.7.a. De ese modo la turbina tendrá que manejar vapor con baja calidad, es decir, vapor con un alto contenido de humedad. 3. El proceso de compresión isoentrópica (proceso 4-1) implica la compresión de una mezcla de líquido-vapor hasta un líquido saturado. Hay dos dificultades asociadas con este proceso. Primero, no es fácil controlar el proceso de condensación de manera tan precisa como para finalizar con la calidad deseada en el estado 4. Segundo, no es práctico diseñar un compresor que maneje dos fases. Algunos de estos problemas se eliminan al ejecutar el ciclo de Carnot de manera diferente, como se muestra en la figura 2.7b. Este ciclo presenta otros problemas, como

46 la compresión isoentrópica a presiones en extremo altas y la transferencia isotérmica de calor a presiones variables. Concluyendo que el ciclo de Carnot no se logra en los dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor. FIGURA 2.7 Diagrama T-s para dos ciclos de vapor de Carnot Ciclo Rankine: El ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el condensador, como se muestra de manera esquemática en un diagrama T-s en la figura 2.8. El ciclo que resulta es el ciclo Rankine, que es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por los siguientes cuatro procesos: 1-2 Compresión isoentrópica en una bomba 2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina en nuestro caso la fabrica en la que se va a utilizar el vapor 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador El agua entra a la bomba en el estado 1 como liquido saturado y se le aplica una compresión isoentrópica hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isoentrópica debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua. La distancia vertical entre los

47 estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor claridad. El agua entra a la caldera como un líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes se transfiere al agua a presión constante. La caldera, con la sección donde el vapor se sobrecalienta (el sobrecalentador), recibe el nombre de generador de vapor. El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande isoentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. En este estado, el vapor suele ser una mezcla saturada líquido-vapor con una calidad alta. El vapor se condensa a presión constante en el condensador, que es un intercambiador de calor, que rechaza calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor abandona el condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo. En áreas donde el agua es muy valiosa, las plantas de potencia son enfriadas por aire en lugar de agua. Este método de enfriamiento que también se emplea en motores de automóvil, recibe el nombre de enfriamiento seco. El área bajo la curva de proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor para procesos internamente reversibles; obsérvese que el área bajo la curva de proceso 2-3 representa el calor transferido al agua en la caldera y que el área bajo la curva de proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos (el área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el ciclo.

48 FIGURA 2.8 El ciclo Rankine ideal simple Análisis de energía del ciclo Rankine ideal Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estable; por ello es posible analizar los cuatro procesos que conforman el ciclo Rankine como procesos de flujo estable. Los cambios en la energía cinética y potencial del vapor suelen ser pequeños respecto de los términos de trabajo y de transferencia de calor y, por consiguiente, casi siempre se ignoran. De ese modo, la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa de vapor se reduce a ( q q ) ( w w ) h h...( kj / Kg ) entra sale entra sale e i (3.2) La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo, y se supone que la bomba y la turbina son isoentrópicas. En ese caso la relación de la conservación de la energía para cada dispositivo se expresa como sigue: Bomba (q = 0): w h 2 h1 o, w bomba, en (3.3) v( P 2 P ) bomba, en 1 (3.4) Donde, h y... v v v (3.5) 1 f P1 1 P1 Caldera (w = 0): q en h 3 h2 (3.6) Turbina (q = 0): w turb, sal h 3 h4 (3.7) Condensador (w = 0): q sal h 4 h1 (3.8) La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de: t w q neto en q sal 1 (3.9) q en

49 Donde, w neto qen qsal wturb, sal wbomba, en Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine Las plantas de energía de vapor son responsables de producir la mayor parte de la energía eléctrica en el mundo, e incluso pequeños aumentos en la eficiencia térmica significan grandes ahorros en los requerimientos de combustible. La idea básica para incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potencia es la misma: aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el T condensador. Es decir, la temperatura promedio del fluido debe ser lo más alta posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante el rechazo de calor FIGURA 2.9. Diagrama de ciclo de vapor Caldero Pirotubular Cálculo de un Caldero Pirotubular de 3 pasos Requerimientos de la fábrica: Datos: Presión promedio de trabajo 4 kg/cm 2

50 Presión de ingreso Agua 1 kg/cm 2 Caudal steam (vapor) 650 kg/h Temperatura de ingreso Agua 70 C Estudio de la potencia del caldero: HP B Resolución: 15,44 W h s fg W s Caudal.. Masico.. W s h fg 650Kg / h salida h entrada valor.. de.. tablas Se realiza el diagrama termodinámico para identificar los estados Propiedades termodinámicas en el punto entrada P= 1kg/cm 2 T= 70 C Cp agua = 1kcal/ kg K h entr =?

51 h P t h h 1 entrada ls ls 1 kg cm 70º C dh? Entalpia.. Liquido.. Subenfriado cp 2 cp 1 dt h 70kcal kg Propiedades termodinámicas en el punto salida P= 4kg/cm 2 T= Cp agua = 1 kcal/ kg K h sal = 653,72 kcal/ kg ver tabla h P x h salida g 4 kg 2 cm kcal kg HP HP B B Kg Kcal Kcal h Kg Kg Kcal Kg Hp B La potencia de diseño tiene que ser superior a la potencia de trabajo por lo tanto se toma un 20% mas aproximadamente. 2 Pot. diseño 50 Hp B 2 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

52 Con la potencia de diseño se calcula el caudal masico del vapor de diseño que puede proporcionar este caldero, se construye con esta potencia para preveer cualesquier inconveniente en la fábrica. W s W s W s HP B h 50HP 15, 44 B salida Kcal 653, 72 Kg Kg h h h 15, 44 0º C entrada 597, 2 Kg 790 h Kcal Kg Kcal 70 Kg FIGURA Esquema de Flujo de Agua y Calor Estudio del cuerpo: El cuerpo esta formado por: Coraza 2 Espejos 2 Carretes 2 Tapas Tubos

53 Hogar Un caldero equivale a un intercambiador de calor, en donde el fluido caliente circula por el interior de los tubos y el fluido frió por el exterior de los mismos, la mayoría de casas constructoras para el diseño de número de pasos del fluido interno le dan tres pasos, y para el fluido externo un solo paso. FIGURA Diagrama Caldero Estudio de los tubos. Diámetro. Para potencias relativamente bajas las casas constructoras recomiendas tubos sin costuras con las siguientes características: Esquema del tubo FIGURA Esquema del tubo para caldero

54 Diámetro nominal NPS Diam. Ext. Cedula 40 Grosor Pared Presión Int. Trab. Peso Aprox. pg mm pg mm PSI Kg/m Lb/pie Kg/m 1/ / / / / / / / / ASTM A312 Tabla 2.2 Dimensiones y Presiones de trabajo de tubería de Cedula (Pipe) Diámetro exterior: 60,3 mm. Diámetro interior:52,51 mm. Espesor: 3,91 mm. Longitud.

55 La longitud de los tubos se dan por formulas experimentales, en los que cada una de ellas es una función de la potencia. La formula de cálculo esta basada en formas experimentales 3 L HP 0, 3, B L 0, Hp 0, 3 L 2, 7m Área de cada tubo A A A * D * L * m * m m Estudio del área de calefacción. Esta área tiene parámetros diferentes a los que tiene si el combustible sólido, este valor es una función de la potencia del caldero, y se encuentra en muchas formulas dadas por las casas constructoras 4, la ecuación que se recomienda es: Area de calefacción Area de calefacción 0,465 HP B 23,246m 2 0, Estudio del número de tubos. 3 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador Bernal Bolívar, Calculo de Equipo, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca- Ecuador 2006

56 # # # de tubos de tubos de tubos Area de calefacion Area externa de los tubos 2 23, 246m , 7 m 45, tubos Este numero de tubos se puede aumentar o quitar dependiendo del diseño sobre el cual se trabaja. Calculo peso total tubos. V V V P P P A* L * e ( * ) * 2. 7* ( 3. 91* * 10 m * V * * 10 3 m * 7200 P Kg.. c / tub peso.. total.. tubos * 46 peso.. total.. tubos Kg ) Fijación de Tubos

57 A) Expansión y Rolado Es la manera comúnmente utilizada por todos los fabricantes de calderas lo cual permite el movimiento lineal cuando el tubo se expande. Requiere reexpansión periódica. B) Expansión, Enrolado y Prossering Proceso en el cual captura el tubo por los dos lados de la placa tubular eliminando movimiento linear y la re-expansión periódica correspondiente. C) Expansión, Enrolado, Prossering y Soldadura Un proceso para rigidez adicional. Se puede cambiar el tubo sin deformar el agujero Distribución de los tubos en el espejo.

58 Los tubos en el espejo deben tener una distribución de triangulo equilátero. d 0 = 60,32 mm esta cota constituye el diámetro externo del tubo Calculo de pt: Pt= 2 radios * do Pt=1.25 * 60.32mm Pt = 75,4 mm. Calculo de c`: C`=0.25 * do C`=0.25 * 60.32mm

59 c = 15,08mm. En la distribución de tubos x paso se puede aceptar un error del 5% del diseño Estudio del diámetro del espejo Las casas comerciales que construyen calderos recomiendan Diámetros del espejo de 1,06 m. para calderos con una potencia de hasta 100 HP B, el espesor es un criterio particular, pudiendo ser un mínimo de 10 mm de espesor. 5 D espejo= 1.06 m Estudio del hogar. El hogar es un tubo cuyo diámetro debe estar entre un 40% y 45% del diámetro del espejo, la posición de este tubo en el espejo depende exclusivamente del diseño, es decir que se pueda subir o puede bajar a lo largo del eje vertical, de tal forma que se asegure que sobre el mismo existan dos filas de tubos y tenga el área para acumulación de vapor 6. hogar hogar hogar 42.5% 0,425 0,477m diametro.. espejo 1,06 m Espesor del hogar 10 mm (por determinación de casas fabricantes) 5 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

60 Estudio del área para acumulación de vapor. Esta área se encuentra en la parte superior del espejo, se denomina como área de acumulación de vapor; esta altura entre el agua y el domo es de un 20% del diámetro del espejo. altura 20% diametro.. espejo altura 0, 2 1, 06m altura 0, 212m. FIGURA 2.13 Cotas de área de acumulación de vapor Estudio del tanque de agua. Condición principal Este tanque debe entregar un caudal constante durante 20 min. 789, 68 kg h. agua 1000 kg m W S Caudal Volumétrico: 3

61 Q Ws Q Q 790 kg kg h 1000 m 3 m h 3 Del caudal total requerido en el sistema, se determina el volumen necesario para suministrar en 20 min. Tengo: 3 V H 2 O 0, 26323m El volumen del líquido que deber tener el tanque de alimentación (0,263m 3 ) es el 70% del volumen total del tanque. 70% liquido 30% vació Por lo tanto el volumen del tanque de alimentación es: V V Tanque Tanque 3 0, 26323m x100% 70% 3 0, 375m l De las dimensiones de este tanque, la relación es 3 d entonces obtenemos: Relación entre longitud y diámetro L 3

62 L V V V D D 3xD xd 4 xd 4 x xl x3xd. xd V T m 3 3 0, 5424m 3 Longitud del tanque: L L L 3xD 3x0. 54m 1, 627m Estudio de a potencia de la bomba de agua: Parámetros Caudal volumétrico (Q) m seg Densidad ( ) 3600 Kg 3 m Trabajo bomba (hw) Kgm Kg Rendimiento bomba =0,75 Factor de corrección para pasar a CV CV (75)

63 Pot W W S S Pot Pot Pot Bomba Qx Q hw 75 Kg Kg ( 790/ 3600).. para.. pasar.. de.... a.. h sg Ws hw 75 Kg hw h xhw Bomba Bomba Bomba Estudio del trabajo de la bomba (hw) Se aplica bernoulli entre 1 y 2 Z 1 z U P hf 2 U1 P1 hw Z 2 g car. ga.. potencial U g velocidad P. resion peso.. especifico perdidas.. por.. rozamiento 2 P 2 hf Se desprecia la energía potencial y cinética ya que son pequeñas: Z 1 Z 2 hw P 2 P 1 hf hw 4 5x x hf Calculo de perdidas hf f 2 U * 2 g * L D L E D=40,1mm

64 Las perdidas ocasionadas por los accesorios y longitud de tubería se calculan a continuación: L=2,5 para tubería recta L E 2 x10 =20 (2 válvulas perdidas en accesorios) L E = 35 1x15 = 15 (1 válvulas check perdidas en accesorios) L L E L L E Para determinar el factor de fricción determino Numero de Reynolds U g practicamente despreciable. 0 U g practicamente despreciable. 0 FIGURA 2.14 Diagrama de Flujo de Vapor

65 Cálculo de reynols. R. e R. e R. e 4 * Ws * D * Kg 4 * s 3 * m * 1x10 N. s / m Calculo Velocidad Cálculo de u u 4 Q D U U 4 * 2. 19E 4 * m s 2 2 m s m Rugosidad relativa D D " 1. 25" Con la rugosidad relativa y el número de Reynolds, se obtiene el factor de fricción en el diagrama de Moody. Cálculo de f en el diagrama de Moody f 0.038

66 hf hf hf 2 u L L. euqivalente f 2 g D 2 m sg 2. 5m 35m m m 2 sg m hw hw Kg Kg Kg m Kg m m m Kgm Kg m Pot Pot Pot Bomba Bomba Bomba 3, , 156 CV 7.. GPM Kgm Kg Calculo de la potencia Real de la Bomba Es importante garantizar la potencia que requiere la bomba para alimentar agua al caldero por lo tanto se obtiene una potencia real: pot pot real real pot Bomba 13.. GPM * 200%

67 Tabla 2.3 Datos de bombas de agua, catalogo Cleaver Brooks Bomba mercado= 13 GPM

68 FIGURA 2.15 Niveles de liquido y vapor en la caldera Calculo del combustible necesario para la caldera Parámetros Combustible Poder Calorífico Diesel 7200 kcal kg Densidad 920 kg m Temperatura 25ºC Calor que necesito para elevar la entalpía del punto 1 al 2: 3 q W S h s h e h h s e entalpia de salida entalpia de entrada 653,9 kcal kg 69,927 kcal kg

69 q q q nec nec nec Ws( h sal h entr kg Kcal 790 ( h kg Kcal , 79 kg ) Kcal 70 ) kg Calor que debe dar el combustible: q. W fuel W COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE q Cp Cp balance.. de.. energia.. calorico Ws( h W fuel sal h entr ) W Ws( hsal h Cp fuel entr ) xcp W W q. q fuel fuel fuel nec Kcal , 79 kg Kcal 7200 kg Kg h Kg Kcal * 7200 h kg Kcal , kg Caudal volumétrico del combustible

70 q. q. q. q. q. q. fuel fuel fuel fuel fuel fuel W.. fuel fuel Kg h 3 m 920 Kg 3 m x para.. pasar.. a.. litros h litros.. por.. hora / para.. pasar.. a.. galones GPH Para tener una certeza de que el combustible pueda cubrir cualquier demanda se coloca un factor de seguridad de entre 200% y 300% por recomendación de alimentación de las casas comerciales de modo que 7 : Q Q COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE 18, 54GPH GPH 40GPH Bomba y quemador con un máximo de 40 GPH En la bomba no pasa el valor total de 40 GPH sino solamente los 18,54 el resto de combustible regresa, por el ciclo de retroalimentación, de igual manera sucede en el atomizador, lo que no se consume retorna al tanque de diario, mediante la acción de las válvulas selenoides. Selección bomba. Considerando las especificaciones de los cálculos si como las de diseño, consideramos las bambas existentes en el mercado, analizando todos estas exigencias determinamos la adquisición de la bomba: Cleaver Brooks SS-H5-3 con una capacidad de 13 GPM con una presión de 70 Psi, garantizándonos el cumplimiento de nuestros requerimientos de diseño. 7 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

71 Selección quemador Características del quemador Consumo de combustible (para una intensidad calorífica de Mcal/h.m3 en el hogar) 45.4 lt/h Capacidad de bombeo de combustible 75.7 lt/h Potencia del motor de inyección de aire 2HP Velocidad de giro del ventilador 3450 rpm Voltaje del circuito de control normalizado 115 V Características del motor del inyección de aire Capacidad de inyección de aire m 3 /h Tipo de inyección eléctrica (Los valores significan trifásico -230 voltios -60 ciclos). Principio de funcionamiento El aire y el combustible se inyectan en el hogar y se inflaman al contacto con la llama que alimentan. La forma y el posicionamiento de la llama en el hogar son primordiales para: Optimizar los fenómenos de radiación y convección; Reducir las emisiones de NOx, CO y polvos. FIGURA 2.16 Diagrama Flujo Combustible

72 El quemador funciona con un ligero exceso de oxígeno, 10 a 15% para garantizar una combustión completa evitando las pérdidas térmicas por los humos. Durante su utilización, el quemador tiene regulaciones próximas al punto de equilibrio entre la formación creciente de NOx y de CO garantizando un rendimiento elevado. Los humos de combustión circulan así por los circuitos de recuperación, tubos de humos o circulación alrededor de los serpentines para mejorar los rendimientos energéticos. Se considera el valor calculado de la bomba un valor máximo de 40 GPH De lo que se elige el quemador: POWER FLAME TYPE HAC3-06 Que cumple con las características de caudal volumétrico máximo con un rango de 45GPM Balance estequiometrico En la tabla 4 se indican las especificaciones de los aceites combustibles de acuerdo a normas internacionales. COMBUSTIBLE PODER CALORIFICO SUPERIOR (Kcal/Kg) PODER CALORIFICO INFERIOR (Kcal/Kg) DIESEL No. 1 (KEREX) DIESEL No. 2 (DIESEL) FUEL OIL No. 6 (BUNKER) Tabla 2.4 Descripción de aceites combustibles Composición Valor Medio C,%p H,%p 10.42

73 N,%p 0.50 Na,%p x l K, %p x l Ca,% p x l Mg,% p x l V, % p x l Si+ins,% p x l S, % p x l0-4 4,69 Tabla 2.5 Composición Elemental del Fuel Oil Nº 6 Composición química del combustible Nombre Símbolo %peso Peso molecular Carbono C 86,5 12kg/kmol Hidrogeno H 10,4 1kg/kmol Azufre S 4 32kg/kmol Tabla 2.6 Composición Elemental del Fuel Oil Nº 6 El aire es la fuente común de oxígeno para la combustión en las calderas; es una mezcla de oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de vapor de agua, dióxido de carbono, argón y otros elementos. La composición del aire atmosférico está dado en la tabla 6 AIRE ATMOSFERICO SECO ELEMENTO VOLUMEN % PESO MOLECULAR Nitrógeno Oxígeno Argón Dióxido de carbono Tabla 2.7 Composición aire atmosférico

74 Composición química del aire Nombre Símbolo % peso Peso molecular Oxigeno O 21 16kg/kmol Nitrógen N 79 14kg/kmol o El caudal másico es: Q Q Ws 40GPH E Qxp 3 m h 3 Ws E W COMBUSTIBLE 5 3 m kg x920 3 h m kg 172, h 3 Calculo del flujo másico del aire para el carbono WC. W Caire X X O 2 N 2 Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar CO2. C + O [kg/kmol] 172,5(86%) X [kg/h]

75 X X O2 O2 32 kg kmol 395, 6 kg h kg x172, 5 x( 0. 86) h kg 12 kmol Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire. Aire O2 + N % composición del aire 395,6 X [kg/h] X X N 2 N 2 kg 396, 6 x( 0. 77) h kg 1324, 4 h W W W Caire Caire Caire X O 2 X N kg 395, 6 h kg 1720 h , 4 kg h Calculo del flujo másico del aire para el Azufre WS. W Saire X X O 2 N 2 Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar SO2. S + O [kg/kmol]

76 172,5(4%) X [kg/h] X X O2 O kg h kg kmol kg x1725, x( 0, 04) h kg 32 kmol Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire. Aire O2 + N % composición del aire 7 X [kg/h] X X N 2 N 2 kg 7 x( 0. 77) h kg 23, 43 h W W W Caire Caire Caire X O 2 X N kg kg 7 23, 43 h h kg 30, 43 h 2 Calculo del flujo másico del aire para el Hidrogeno WH2. W X X H 2aire O2 N 2 Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar vapor H2O. 2H2 + O2

77 4 32 [kg/kmol] 172,5(10%) X [kg/h] X X O2 O2 32 kg kmol kg 138 h kg x1725, h kg 4 kmol x( 0, 1) Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire. Aire O2 + N % composición del aire 138 X [kg/h] X X N 2 kg 138 x( 0. 77) h 0 23 kg 462 h N 2. W W W H 2aire H 2aire X X H 2aire O2 N 2 kg kg h h kg 600 h W W W TOTALaire TOTALaire TOTALaire Wc Ws W H 2 kg kg , 43 h h kg 2350, 43 h kg 600 h Calculo relación Aire-Combustible

78 Aire seco: O 2 N 2 Aire O... 23% H % Combustible: Peso Hidrogeno ( H 2 ) 10% Carbono (C) 86% Azufre (S) 4% 100% Composición Combustible Reacción de combustión Moles Comburente Gases de combustión Elemento % Oxidación n no 2 Componente Moles (Kg) C A C+O 2 CO 2 CO 2 nco 2 =nc (1:1: 1) H 2 B H 2 +½O 2 H 2 O (1:½ 1) S D S+O 2 SO 2 (1: 1: 1) H 2 O nh 2 O=nH 2 SO 2 nso 2 =ns ngc= ni Reacción de combustión: C12 H 26 S at ( O2 N 2 ) xco2 yh2o C12H 26 S at ( O N 2 ) xco2 yh2o Relación porcentual de nitrógeno / oxigeno: 79/21=3.76

79 C12H 26 S at 76 ( O2 3. N 2 ) 86. 5C H 26 4S bh2o xc12 H 26 S a( O N 2 ) 86. 5C H 26 4S bh2o N C * a 12x y a H 26x 2b b La reaccion queda: xc 12 H 7. 20C H 26 S a( O S N ( O 2 2 ) 3. 76N 86. 5C 2 ) H 86. 5C S 10. 4H 26 bh 2 O 4S 93. 6H 2 O La ecuación de combustión para 1 Kmol de combustible se obtiene al dividir la ecuación anterior entre C dividiendo C 12 H H 26 S 2. 91( O ( O N 2 ) 3. 76N 2 ) C C H H S 4S 13H H O 2 O C 12 H ( O N 2 ) CO2 13H 2O 3. 76at 2 N La relación aire combustible se determina tomando la proporción entre la masa del aire y la masa del combustible: 2 AC AC m m aire combustible Kg Kg ( * 4. 76kmol)* ( 29kg / kmol) ( 12kmol)( 12kg / kmol) ( 13kmol)( 2kg / kmol) aire combustible Para encontrar el porcentaje de aire teórico se necesita conocer la cantidad de aire teórico, que la determinamos con la ecuación de combustión teórica del combustible:

80 C 12 H ( O N 2 ) CO2 13H 2O 3. 76at 2 N 2 at Porcentaje de aire teórico: m m aire.. real m aire.. t aire.. real m aire.. t m aire.. real m * kmol * kmol % aire.. t N aire.. real N aire.. t Se utilizo un 13.5% de exceso de aire durante el proceso de combustión, existiendo una relación adecuada de A/C que esta determinada por los fabricantes entre el 10 y 15 % para una combustión completa, en el caso de calderos nuevos.

81 CAPITULO 3 SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CALDERO MEDIANTE LAB VIEW En este capítulo se desarrollaremos un programa de simulación del funcionamiento de la caldera utilizando el software de automatización denominado como Lab View, demostrando el funcionamiento general de una caldera industrial desde su encendido hasta sistemas de prevención de sobre presiones y control de sus elementos de seguridad. 3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA. Básicamente se compone de un cuerpo cilíndrico, en cuyos extremos se encuentran los espejos, cuenta con una cámara de combustión posterior que tiene un revestimiento refractario, a más de equipos eléctricos, siendo las partes principales: 1) Cerebro Electrónico: (Sistema de Diagnóstico y Controlador del Microcomputador) que se encuentra ubicado en el interior del panel de control eléctrico. 2) Motor Modulador (Modutrol) 3) Quemador, que lo componen el transformador de encendido, electrodos y una válvula solenoide para el combustible 4) Controles de presión que lo conforman los interruptores de operación principal, de operación de respaldo, de fuego bajo y de modulación. 5) Control de nivel de agua (Mac Donald). 6) Válvulas solenoides para el combustible. 7) Interruptores de control.

82 8) Detector de Flama (fotocélula) 9) Precalentador eléctrico. 10) Bomba de diesel. 11) panel eléctrico auxiliar donde se encuentran localizados los arrancadores magnéticos con sus protecciones eléctricas y la alarma 12) Bomba de agua Secuencias de mando del caldero Intentaremos describir las secuencias completas que requiere un caldero pirotubular para el control de su funcionamiento básico. Las secuencias son tratadas como flujos de operación con el objetivo de familiarizarse con la operación de las calderas y facilitar o simplificar la localización del punto exacto en el cual una caldera se encuentra operando, cuales son los controles que se llevaron a cabo y cuales los que se deberán hacer para tener una operación adecuada además de facilitar definir las medidas a tomar cuando una parada ocurre. En el estudio de estas secuencias los tiempos indicados aquí varían según el tipo de caldero, constructor, secuencia, entre otros; y por tanto son sólo referencias que se citan para tener una idea de los valores de estos tiempos.

83 FIGURA 3.1 Diagrama de proceso de operación de una caldera pirotubular 3.2 SECUENCIA PRINCIPAL La secuencia principal consta de cuatro partes fundamentales tal como se indica en la figura 3.2.

84 El primer bloque es el que se refiere a la programación de las condiciones iniciales donde consta: la inicialización del microprocesador, control del nivel de agua inicial, control de presión inicial y operación automática. El segundo bloque se refiere al encendido de la caldera, a cuyo efecto se debe cumplir un tiempo de prepurga y posteriormente el arranque del quemador. El tercer bloque contiene el control de operación de la caldera, donde se hace un control de límites para la presión, nivel de agua, control de llama El cuarto bloque contiene el control de finalización de la operación de la caldera, cuyo objetivo es detectar la orden de finalización y emitir los comandos necesarios para cumplir con un tiempo de postpurga, el apagado de la caldera y de reinicíalízar al microcontrolador (posición Standby o espera). FIGURA 3.2 Diagrama de la secuencia principal A continuación se detallará los procesos que constan en el diagrama de la secuencia principal de una caldera.

85 3.3 CONTROL DE CONDICIONES INICIALES Esta primera parte del control es de mucha importancia por seguridad, ya que en el arranque de la caldera es necesario que se cumpla con los requerimientos de nivel de agua y de presión iniciales. En caso de que estas condiciones no se cumplan el caldero y microprocesador se quedarán en un lapso cerrado de chequeo, dotando de esta manera de un control de seguridad hasta que alcancen los niveles satisfactorios. La Secuencia de control de condiciones iniciales establece los siguientes pasos: 1.- Control Inicial del Nivel de Agua 2.- Control Inicial de Presión 3.- Operación del Caldero Control inicial de nivel de agua El control inicial de nivel de agua se lo hace por el método de electrodos o por método mecánico de boya, en este caso se requiere que el nivel de agua llegue al mínimo requerido (crítico - 3 pulgadas, 8 cm. aprox.) sobre los tubos para que se pueda encender la caldera, esto es, que el electrodo más largo conduzca y se pueda detectar una señal de voltaje (control por electrodos); o que el bulbo de conexión del quemador se encuentre en la posición de encendido del mismo (control por flotador). De no ser así estará actuando el circuito de encendido de la bomba de alimentación y de la señal de alarma por bajo nivel de agua, ya sea por cualquiera de las dos formas de control. (Ver Control del nivel de agua). La bomba continuará funcionando hasta que el nivel de agua llegue al máximo.

86 FIGURA 3.3 Diagrama de flujo del control inicial del nivel de agua Control inicial de presión El proceso de control inicial de presión se encarga de hacer funcionar el caldero dentro de determinas presiones de trabajo máxima y mínima. Este control y la determinación de estas presiones de trabajo se las hace por medio de los controladores de presión. Una vez obtenido el dato de presión en el medidor de presión, se verifica si éste es mayor o igual al límite máximo de presión (50 psi), en ésta situación se impedirá continuar con el proceso de encendido del caldero; en caso contrario, es decir si la presión es menor al límite máximo se podrá seguir adelante con el encendido.

87 Si la lectura de presión obtenida está entre el mínimo inicial y el máximo (42-50 psi para nuestro caso), o es menor al mínimo, regresará para hacer un nuevo chequeo de presión inicial. FIGURA 3.4 Diagrama de flujo del control inicial del nivel de presión Operación del caldero automático El proceso consta de tres etapas, la primera se encarga del arranque del quemador, la segunda de hacer un control de límites para la presión y de nivel de agua, y de que el quemador permanezca prendido; y la tercera etapa se encarga de chequear si se finaliza la operación de la caldera para ejecutar la instrucción de apagado. La primera etapa indicará que el operador inició la operación de la caldera, llamando al proceso de tiempo de prepurga y luego al proceso de arranque del quemador, que serán explicados más adelante. En la segunda etapa se habilitará el ingreso de datos, para con los valores fijados en los presostatos hacer el control de límites. Luego llamará al proceso de control de nivel de agua, pero en este caso para cuando la caldera está en funcionamiento. Para la verificación de que el quemador permanece prendido se llama al proceso de chequeo de fotocélula.

88 La tercera etapa se encarga de deshabilitar el ingreso de datos y de habilitar la entrada del multiplexer correspondiente al swítch que es el de control de apagado, para luego llamar al proceso de finalización y apagado. 3.4 CONTROL DE ENCENDIDO Tiempo de prepurga y postpurga Debido a que los procesos que tienen que cumplirse para la prepurga y postpurga son los mismos, los procesos que controlan también son iguales. Este proceso se encarga de encender el ventilador, encendiendo además la luz indicadora de tiempo, luego abre el DAMPER completamente para que el ingreso de aire sea mayor, de modo que se pueda realizar correctamente la eliminación de los residuos del interior de la caldera. En esta situación deberá permanecer un tiempo (50 segundos que es el tiempo que recomiendan los fabricantes de las calderas), para luego apagar la luz indicadora y regresar al DAMPER a la posición inicial. FIGURA 3.5 Diagrama de flujo del tiempo de prepurga y postpurga

89 3.4.2 Arranque del quemador en bajo fuego El proceso tiene a su cargo el arranque de la válvula adenoide 1 y del transformador de ignición, en donde se establece un tiempo de espera de 10 segundos donde se llama al proceso de chequeo de fotocélula, para luego de 25 segundos apagar el transformador y arrancar la válvula solenoide 2, con el DAMPER en la posición de alto fuego. FIGURA 3.6 Diagrama de flujo del arranque del quemador

90 3.5 CONTROL DE OPERACIÓN Control de límites de presión Este proceso se desarrolla de forma general, de modo que permita hacer el control de límites para la presión. Los límites con los cuales se ha determinado el trabajo de la caldera en este caso, son los que se indican en la siguiente tabla: MÍNIMO DE OPERACIÓN DE TRABAJO MÁXIMO DE OPERACIÓN DE TRABAJO MÁXIMO DE CONSTRUCCIÓN 42 PSI 100 PSi 150 PSI TABLA 3.1 Límites de Presión Estos valores están determinados en los controles de límites de presión (presuretroles). El control de límites se encarga de verificar si el valor obtenido está en los siguientes rangos: 1.- Menor o igual al valor mínimo. 2.- Entre el valor mínimo y el valor máximo. 3.- Superior o igual al valor máximo. SÍ el valor se encuentra en el primer rango, deberá pasar al siguiente paso del proceso. Si el valor se encuentra en el segundo rango, éste es el rango de funcionamiento de la caldera, es decir, es en éstos valores donde la caldera opera sin ningún peligro. En caso de que el valor obtenido esté en el tercer rango, se deberá apagar la caldera, y a continuación se realizará el proceso de postpurga. En éstas condiciones

91 deberá permanecer hasta que el valor baje al límite inferior donde se puede volver a encender la caldera y continuar con el proceso desde el inicio. FIGURA 3.7 Diagrama de flujo del control de presión en operación Chequeo de fotocélula Este proceso es el que encarga de controlar la presencia o no de llama en la caldera, cuando arranca el quemador y cuando la caldera está en funcionamiento. El microcontrolador indica si existe ausencia de llama, esto es que el quemador no arrancó o se apagó por algún motivo. En éste caso después de 10 segundos sin señal se activa la alarma por ausencia de llama, se apagara la caldera, y luego se lleva a cabo el proceso de postpurga. En el caso contrario cuando el microcontrolador indica que existe llama se retoma al siguiente punto de control.

92 FIGURA 3.8 Diagrama de flujo del chequeo de fotocélula Control del damper en posición de alto fuego Se encarga de verificar si la compuerta se abrió completamente (posición de alto fuego) o no lo hizo. Si el microcontrolador indica que el DAMPER está abierto completamente se continúa con el proceso, caso contrario si no llegó a la posición de alto fuego, se activará la alarma por control del DAMPER Control del damper en posición de bajo fuego Se encarga de verificar si la compuerta del DAMPER se cerró (posición de bajo fuego) o no lo hizo. Si el microcontrolador indica que el DAMPER está cerrado se continúa con el proceso, caso contrario sí no llegó a la posición de bajo fuego, se activará la alarma por control del DAMPER Control de nivel de agua de la caldera en funcionamiento

93 Se encarga de que la bomba de agua se encienda cuando la caldera está en funcionamiento, de modo que exista una reposición constante de líquido, dicha opción se realiza gracias a la presencia del electrodo intermedio o la posición del bulbo en la posición de mínimo cuando se utiliza el Mcdonnell. Sí el electrodo intermedio no conduce, indicando que el nivel de líquido es inferior al nivel del electrodo, por lo que se accionará la bomba de agua sin necesidad de que la caldera deje de funcionar. En caso contrario cuando el electrodo conduce o que el nivel de líquido es superior al electrodo, en este caso se pasará a verificar si el electrodo más corto conduce (máximo nivel). Sí el electrodo más corto conduce, se indica que el nivel de líquido ha llegado a su máximo nivel, donde la bomba deberá desactivarse. Si el electrodo más largo (mínimo nivel de líquido) deja de conducir, el microcontrolador procederá a apagar el quemador, activando posteriormente una alarma visual y audible para el operador y se pondrá en condición de espera hasta que el nivel cumpla con el mínimo requerido para reiniciar el proceso. Idéntica función se logra en el controlador de nivel de agua accionado por flotador, mediante una ubicación diferente del punto de pivote de cada uno de los bulbos: de conexión de la bomba y de conexión del quemador. (Ver Control del Nivel de Agua).

94 FIGURA 3.9 Diagrama de flujo del control de nivel de agua de la caldera en funcionamiento 3.6 CONTROL DE ALARMAS Las alarmas se accionaran en caso de: El nivel de liquido de arranque sea menor al mínimo requerido o que el nivel descienda bajo el mínimo cuando la caldera esta funcionando. Que no exista la presencia de llama en el encendido del quemador o que el quemador se apague. Se encenderá una alarma visual y auditiva como son las sirenas, luces de alarmas o displays de señal. Se activa cuando el nivel de la caldera es menor a tres pulgadas sobre los tubos (nivel critico), actúa para que se reinicie el proceso. No existe presencia de llama, se chequea la fotocélula, al no existir llama se apaga el quemador y se procede con la postpurga

95 FIGURA 3.10 Diagrama de flujo del control alarmas 3.7. SISTEMAS DE CONTROLES E INSTRUMENTACIÓN de vapor: El equipo de medición y control cumple tres objetivos básicos en la producción (1) Seguridad; (2) Operación automática y (3) Eficiencia. En general se puede decir que un sistema de control es un arreglo de componentes físicos relacionados en forma tal que un comando regula por sí sólo a otro sistema. El control de una caldera se logra coordinando los cinco factores siguientes; presión de vapor. Cantidad de combustible, aire de combustión, remoción de gases y suministro de agua de alimentación. El sistema de control debe reconocer estos factores: proporcionar y coordinar los últimos cuatro factores todo el momento. Al mismo tiempo, se debe mantener aproximadamente constante la presión de vapor, que es la variable controlada (control master). A continuación estudiaremos la instrumentación para calderas industriales, cuyas funciones son las siguientes: a) Proporcionar la energía necesaria en forma de calor mediante la oxidación del combustible en la cámara de combustión (Hogar), para obtener vapor a la presión de operación. b) Suministrar en forma instantánea el aire necesario para lograr una combustión completa (Quemador). c) Mantener la presión de vapor dentro de los límites de trabajo (Presostatos). d) Suministrar la cantidad de agua necesaria para mantener un nivel constante (McDonnell, Bomba de Alimentación).

96 e) Cuando se tienen quemadores de múltiples boquillas o de una sola boquilla regulable, se debe alimentar proporcionalmente el combustible para mantener una buena distribución de energía (Válvulas Solenoides). Una caldera requiere por lo tanto, de circuitos de control que regulen la operación de cada uno de sus componentes y de todo el sistema operativo, con el fin de mantener un flujo continuo y garantizado, que minimice el riesgo de paradas imprevistas. Para el control de las calderas son necesarios los sistemas de: 1. Control de agua de alimentación 2. Control de combustión 3. Control de presión del vapor 4. Secuencia y seguridad de los quemadores 5. Control integrado, que coordina todos los anteriores controles. 3.8 CONTROL DE NIVEL DE AGUA PARA CALDERAS DE TUBOS DE FUEGO En las calderas de tubos de fuego, donde el nivel de líquido debe mantenerse a 3 pulgadas sobre los tubos lo que garantiza una operación segura y evita situaciones peligrosas; es necesario la instalación de un control que permita ejecutar múltiples acciones bajo la dependencia de una sola variable, el nivel de agua. 1) El control de corte por bajo nivel de agua, 2) El encendido del quemador; y 3) El encendido de la bomba de alimentación de agua. En síntesis bloquea la operación del quemador cuando un descenso demasiado peligroso del nivel de agua ha ocurrido en la caldera (nivel crítico). El peligro que ésta operación ocasiona es el dejar al descubierto los arreglos superiores de los tubos y aún las paredes del hogar. Si éste caso llega a darse, los gases de combustión a temperaturas elevadas producirían el reblandecimiento de los tubos y paredes de la cámara de

97 combustión los cuales llegan a deformarse e incluso a fragilizarse; produciéndose fugas de agua y vapor que ocasionan daños de consideración en la caldera. Dentro de los diferentes tipos de controles de nivel de agua. Se tienen dos principales: Tipo electrodos y tipo flotador Control por Electrodos. Este método utiliza la conductividad eléctrica del líquido para el control del nivel en la caldera. Una típica aplicación de este sistema se indica en la figura 3.11 La resistividad del agua utilizada en la generación de vapor oscila entre los 7000 y 2000 ohmios. Cuatro electrodos, uno ubicado en el cuerpo de la caldera y tres en la columna de agua para verificación del nivel, sirven para accionar el control de encendido del quemador y la bomba de alimentación de agua. FIGURA 3.11 Control del Nivel de Agua por Electrodos El control del nivel de agua por electrodos sumergidos requiere para su operación de la existencia de minerales en disolución, para obtener características conductivas. Cuando los requerimientos de calidad de agua son estrictos, la aplicación de este tipo de control no es recomendable.

98 Control del Nivel Accionado por Flotador. Los controles de nivel de agua de este tipo tienen en su interior una boya, la cual se desplazará en respuesta al aumento o disminución del nivel de agua. Básicamente son de dos tipos: De accionamiento mecánico (utilizado en nuestro caldero) y de accionamiento magnético De Accionamiento Mecánico. Conocidos en nuestro medio como McDonnell, por ser la marca más conocida de estos instrumentos. Este control de nivel de agua permite el cambio de la posición de dos interruptores de mercurio, los cuales accionan o apagan la bomba de alimentación de agua (bulbo 1), y encienden o interrumpen la operación del quemador y que adicionalmente actúan sobre una alarma que indique al operador un bajo nivel de agua (bulbo 2); esto se logra con la posición de los electrodos en el bulbo como se puede ver en la figura 3.12 y 3.13 FIGURA 3.12 McDonnell: Control de Bomba de Agua, Corte de Bajo Nivel de Agua y Alarma

99 FIGURA 3.13 Operación del McDonnell En la figura 3.13, puede observarse la disposición de los diferentes elementos. La operación de éste control es como sigue: Cuando la caldera se encuentra vacía, el bulbo de mercurio el más exterior (de dos contactos) actuará como paso de corriente para el accionamiento del interruptor que pone en funcionamiento la bomba de alimentación de agua, contactos 1 y 2 cerrados (terminales número 91 y 92 para nuestro caldero). Este al igual que el otro bulbo son pivoteados aproximadamente al centro, cuando la boya mediante una barra de accionamiento presiona el diafragma sobre el cual se encuentran montados los bulbos, éstos cambiarán su posición; el mercurio líquido se desplaza gradualmente dentro del bulbo hasta desconectar el contacto que acciona la bomba de agua, produciéndose de esta manera el corte de alimentación de agua (figura 3.14.c). Paralelamente a la acción anterior, un segundo bulbo estará en posición de apagado para el quemador, contactos 5 y 6 abiertos (terminales 3 y 6), y encendido para el sistema de alarma, contactos 4 y 5 cerrados (terminales 6 y 18); nos encontramos en el nivel crítico del nivel de agua del caldero (figura 3.14.c). Con el continuo aumento del nivel de agua, cambiará su posición hasta dejar libre los contactos del sistema de alarma y cubrir con el mercurio los de accionamiento del quemador (figura 3.14.b). Se mantendrá el caldero en operación normal cuando el nivel de agua sea tal que el bulbo que acciona la bomba de agua se encuentre en posición que, los contactos 1 y 2 estén abiertos, mientras que en el bulbo que controla la operación del quemador se encuentren cerrados los contactos 5 y 6, y los que accionan la alarma 4 y 5 están abiertos (figura 3.14.a). Al bajar el nivel de agua los bulbos cambiarán de posición y al llegar al nivel mínimo donde se debe reponer el agua evaporada, el bulbo 1 cerrará los contactos 1 y 2 haciendo funcionar la bomba de agua, mientras que el bulbo 2 mantendrá cerrados aún los contactos 5 y 6 que operan el quemador.

100 FIGURA 3.14 Operación Esquemática de los Contactos en el McDonnell y Aditamentos Externos 3.9 QUEMADOR Y SISTEMA DE CONTROL DE COMBUSTION Sea cual fuere el combustible que se usa, el quemador opera en modulación completa (dentro de sus asignaciones de operación) por medio de controles de posición de tipo potenciómetro; y el quemador vuelve a la posición de fogueo mínimo (bajo fuego) para el encendido. La seguridad de la llama y el control de programación incluyen un detector de llama (de tipo fotocélula para nuestro caldero) para vigilar la llama y para parar la caldera por completo en caso de falla de la llama. La parte de la programación del control proporciona un período antes de a purga comprobando el piloto y la llama principal, y un período continuo de operación del ventilador para purgar la caldera de todo vapor de combustible no quemado. Otros controles de seguridad cierran el quemador cuando se presenta bajo nivel de agua y excesiva presión de vapor. El aire para la combustión es suministrado por un ventilador centrífugo montado en la tapa delantera. La descarga del aire para combustión al quemador está regida por medio del Motor del Registro Rotario (Modutrol o Modulador). Este mismo motor regula el flujo por un sistema articulado de combustible por una válvula medidora operada por una leva.

101 3.9.1 Componentes Comunes de un Quemador - Motor de ventilador (figura 3.15): Mueve el ventilador (impulsor) directamente para abastecer el aire para combustión. - Transformador para ignición (figura 3.15): Provee una chispa de alto voltaje para la ignición del piloto de combustible liviano. FIGURA 3.15 Quemador -Interruptor de bajo fuego (o fogueo): Por medio de una extensión actúa sobre el eje principal del motor modulador del registro. Este interruptor tiene que estar cerrado para que se encienda el quemador en posición de bajo fuego. Este dispositivo evita la ignición del quemador a menos que el motor modulador haya vuelto a colocar el registro rotatorio del aire y la válvula reguladora del combustible también a la posición de bajo fuego. -Ventilador (figura 3.15): Suministra todo el aire comprimido para la combustión del combustible del piloto y del combustible principal y suministra el aire de purga. -Bomba de combustible (figura 3.16): Lleva el aceite combustible del tanque de almacenamiento diario y lo suministra comprimido al sistema del quemador.

102 FIGURA 3.16 Bomba de Combustible -Manómetro de la presión del quemador de combustible: Indica la presión del combustible al punto de la válvula medidora. -Válvulas solenoides de combustible (solenoide 2) (figura 3.17): Contactos del programador dan energía y abren las válvulas y éstas el flujo de aceite de la válvula medidora al inyector del quemador. -Válvula del piloto de combustible liviano (solenoide 1) (figura 3.17): Cuando se usa un piloto de combustible liviano se suministra una válvula solenoide para regular el flujo de combustible al inyector del piloto. Recibe energía por medio de los contactos del programador al tiempo de ignición y se la quita al establecerse la llama principal para cerrar el flujo del combustible al piloto. -Válvula de Escape del combustible (figura 3.15): Desvía combustible presión indicada en el manómetro de la presión del quemador. FIGURA 3.17 Válvula solenoide Flujo de Combustible en el caldero

103 El combustible lo suministra una bomba de abastecimiento la cual proporciona parte de su descarga al quemador. El combustible excesivo se devuelve al tanque de almacenamiento a través de la válvula de escape y línea de retorno. La bomba del combustible está acoplada mecánicamente al ventilador, ésta disposición asegura que la bomba opere solo cuando el quemador este operando. El combustible fluye a través de un colador de aceite combustible (filtro), que impide que materia extraña pase a las válvulas de control o al inyector. Una válvula de retención se instala en la línea al conjunto de control para evitar la formación de un sifón cuando la bomba se apague. El conjunto de control comprende en una consolidación mecánica, de una válvula medidora, un regulador y un manómetro que nos permite regular la presión y flujo de combustible al quemador. El flujo al inyector del quemador se realiza a través de las válvulas solenoides a las cuales el control de programación energiza para abrir las válvulas o deja sin energía para cerrarlas. La válvula medidora de combustible (mecánica) y registro rotatorio de aire (damper) están siempre simultáneamente controlados para mantener la adecuada proporción de aire-combustible correspondiente a cambios en las demandas de carga, por medio de un sistema de levas. FIGURA 3.18 Esquema de la Distribución de las Tuberías de Combustible para Quemador a Modulación con Atomización Mecánica Sistema de Control de Combustión

104 La función del sistema de control de combustión consiste en controlar la entrada de combustible y aire (comburente). Las variaciones de presión de la salida de la caldera se usan frecuentemente para la operación de la caldera y sistemas de control como índice de un desequilibrio entre la entrada de energía dada por el combustible y la energía que sale en vapor. En general, el problema de la regulación automática del proceso de combustión de una caldera, exige coordinar tres factores que están relacionados entre sí: combustible, aire y productos de combustión. Una función adicional del sistema de control de combustión consiste en controlar la entrada de combustible y el aire de tal manera que reduzca el consumo de combustible en forma correspondiente a la salida de energía del sistema como vapor. Esto se logra mediante diseños en el sistema que reducen al mínimo el flujo de la combustión correspondiente a la entrada de un combustible determinado, en tanto que se evita la presencia de gases combustibles, humo, partículas de materia, no quemados u otros contaminantes en los gases de combustión que salen de la caldera. Una mala regulación lleva a la caldera a tener paradas imprevistas. Se conoce como parada imprevista, al corte en el proceso de combustión bajo condiciones que pueden posibilitar que se produzca una contraexplosión. Una adecuada secuencia de encendido, con presencia de dispositivos de bloqueo y protección, más un claro entendimiento del problema por parte de los operadores y del personal de mantenimiento, pueden reducir grandemente el riesgo y la incidencia actual de retroexplosiones. Las principales causas que están en conexión directa con las contraexplosiones son: a) Interrupción en el suministro de aire, combustible o energía de encendido en el quemador. b) Una fuga de combustible en la cámara de combustión, cuando ésta no está operando y el encendido de la acumulación resultante. e) Repetidos intentos de encendido sin una purga adecuada del combustible. d) Relaciones de aire-combustible, ricas en combustible que ocasionan pérdidas transitorias de la llama, seguidas por un restablecimiento de ésta.

105 La seguridad en el proceso de combustión y por lo tanto en la prevención de contraexplosiones, se garantiza por la existencia de un grupo de elementos de control, utilizados para proveer seguridad a la operación del quemador, agrupados dentro de un sistema de operación Clasificación de los Sistemas Los controles de combustión de las calderas consideradas desde el punto de vista del arreglo del circuito, se subdividen en dos categorías: Sistemas en paralelo y sistemas en serie. La figura 3.19, indica en forma de diagrama estos arreglos. En el primero de los arreglos en serie, (A), la presión de vapor inicializa una señal, la cual controla el flujo de combustible requerido para mantener constante la presión del vapor. Por consiguiente, el flujo de combustible genera una señal que es transmitida al control de flujo de aire, la misma que ajusta el aire en concordancia con la señal del combustible. El segundo arreglo en serie, (B), es similar al anterior excepto que el flujo de aire y el flujo de combustible son intercambiados en secuencia. En éste arreglo, la presión inicializa una señal la cual controla el flujo de aire, y la cantidad de aire genera una señal que controla la alimentación de combustible. Con éste tipo de sistema, cualquier falla en el flujo de aire automáticamente disminuye la rata de combustible al valor correspondiente del suministro de aire (es éste el sistema más utilizado por dar mejores condiciones de seguridad).

106 FIGURA 3.19 Sistema en Serie y Sistema en Paralelo En el arreglo en paralelo, (C), la señal principal proviene de la presión de vapor, y se transmite en paralelo a los controles de alimentación de combustible y de flujo de aire, realizando el correspondiente ajuste sobre cada uno de ellos Sistemas de Seguridad y Protección Un proceso de combustión requiere contar con combustible y aire programados y balanceados; lo más factible de controlar para prevenir la formación de una mezcla explosiva es el combustible, el aire siempre abundante dificulta que pueda garantizarse su control. También siempre existe la posibilidad de formación de chispas debido a las condiciones de operación de la caldera. Tomando como variable el suministro de combustible, se presentan técnicas para prevenir contraexplosiones: 1.- Un Control de entrada que supervise el ingreso de la mezcla de combustible-aire, no permitiendo la acumulación de mezclas explosivas. 2.- Un Control de encendido que habilitará la combustión inmediatamente al ingreso de la mezcla de aire y combustible al hogar. Estas técnicas son efectivas cuando se previene la acumulación selectiva de combustible o el aire en el hogar de la caldera. El método más común para lograr un control de entrada es el de determinar un tiempo máximo permisible para el ingreso de una mezcla explosiva. Este tiempo se denomina período de gracia, y es el tiempo máximo que un combustible sin quemar puede ingresar y ser retenido en la cámara de combustión. Una caldera pequeña tiene un período de gracia de alrededor de un segundo, mientras que quemadores de calderas tipo industrial tienen períodos de gracia de cuatro o más segundos. Para mayor seguridad en la protección del encendido, el corte de combustible debe ocurrir antes del final del período de gracia.

107 Una contraexplosión en el hogar de una caldera requiere de una suficiente acumulación explosiva y una energía para su encendido. Los requerimientos para el encendido de una mezcla explosiva son mínimos, haciendo que sea imposible proteger contra todas las posibles fuentes de ignición, tales como descargas de electricidad estática y superficies calientes. Por consiguiente, la manera práctica de prevenir contraexplosiones es evitar la acumulación de mezclas explosivas. En la actualidad, en casi todas las calderas se aplican varios tipos de sistemas de control de los quemadores, con el objeto de evitar operaciones peligrosas en la caldera, así como cuando se presentan estas situaciones en la caldera, también ayudan al operador a encender y apagar los quemadores. La función más importante del control del quemador consiste en evitar contraexplosiones que pongan en peligro la seguridad del personal y ocasionar daños a la caldera. El sistema de control también evita daños a los quemadores y al equipo de combustible causados por una operación defectuosa, a la vez que impide paradas falsas en el equipo de combustible cuando no hay situación de peligro. Otros factores importantes en el diseño de los sistemas de control de quemadores son los relativos al método y ubicación a utilizar para poner en marcha, cerrar, operar y controlar el equipo de combustible DETECCION DE LA LLAMA. Los detectores de llama utilizan las propiedades muy características de ésta, como la conducción eléctrica, ionización de su atmósfera, generación de calor, la luz visible y la emisión electromagnética. El detector responde a una de estas propiedades, dando una señal al sistema de control de su presencia para que la caldera siga operando. Pero en realidad la operación más importante del detector es dar una señal de apagado cuando la llama por algún motivo no existe Fotocélula de Sulfuro de Cadmio. Las fotocélulas son elementos foto sensitivos, en los cuales el flujo de electrones se da en un material fotoconductivo sólido, en estos materiales, la conductividad eléctrica es función de las intensidad de radiación electromagnética incidente. Todos los

108 materiales son fotoconductivos en algún grado, teniendo uno de los más altos índices el sulfuro de cadmio. Los elementos constitutivos de una fotocélula de sulfuro de cadmio incluyen: una base cerámica, una capa de sulfuro de cadmio, electrodos metálicos y un recubrimiento de protección. El sulfuro de cadmio tiene una alta resistencia eléctrica, pero cuando se expone conduce con facilidad, debido a que su resistencia disminuye con el aumento de la luz incidente. Los electrodos de la fotocélula de sulfuro de cadmio son conectados al disco de cerámica, la rejilla conductiva es construida en forma de S, con lo cual cubre el área requerida por la celda. La celda es evacuada y llenada de aire limpio y seco, y se sella perfectamente debido a que la humedad deteriora rápidamente el material fotosensitivo (fig. 3.20). FIGURA 3.20 Fotocélula de Sulfuro de Cadmio La intensidad de la luz emitida por la llama, permite que una corriente circule a través de la fotocelda, permitiendo de esta forma accionar un relé sensitivo (relé de llama). Este sensor reacciona con cualquier tipo de luz dentro del rango de la luz visible, incluyendo la diurna y luces artificiales. La aplicación de la fotocelda debe cumplir con los siguientes requisitos para obtener una buena eficiencia: 1.-La visión de la llama debe ser directa. 2.-El sensor debe captar solamente la intensidad de la luz necesaria. Bajo condiciones no favorables de funcionamiento del quemador, la resistencia de la fotocélula debe ser baja para garantizar una operación segura. 3.-La celda debe protegerse de luces externas tanto directas como reflejadas.

109 4.-La temperatura que rodea al sensor debe ser menor a los 60 C. 5.-Debe estar separada de las superficies metálicas del quemador para no verse afectadas por las vibraciones, radiaciones u otros efectos Detector de Llama Infrarrojo El material foto sensitivo usado en el detector infrarrojo es conductor de sulfato. La resistencia eléctrica del conductor decrece cuando es expuesto a la radiación infrarroja, la corriente fluye cuando la celda es expuesta a la radiación infrarroja. La celda conductora de sulfato usada en el detector no puede distinguir entre la radiación caliente o la radiación infrarroja de una llama. Por esto el sistema de detección infrarrojo incluye un amplificador que responde solo a las características de vacilación de la llama de radiación y rechaza la característica de radiación firme del refractario caliente. La fotocélula conductora de sulfato en el detector visualiza las llamas a través del tubo de visión. Cuando la llama esté presente, la fotocélula detecta la radiación infrarroja generada y produce señal eléctrica que es enviada al amplificador en el control de seguridad del relay. FIGURA 3.21 Instalación de la Fotocélula de Sulfuro

110 El Amplificador Infrarrojo de Control Dinámico responde a una señal del detector de llama e indica la presencia de llama. El circuito de amplificación del chequeo, prueba a señal de llama del amplificador durante la operación de quemado y bloquea el quemador si el amplificador falla. La falla de llama responde entre 2-4 segundos máximo Tubo Detector Ultravioleta En la década del 60 el uso de detectores de ultravioleta (UV) para llamas de aceites combustibles llegaron a tener aplicación cuando se utilizó el principio del tubo Geiger/Mueller. El uso del detector UV tiene una ventaja sobre los sensores previos de luz con sulfuro de cadmio o sulfuro de plomo, los cuales responden a una banda amplia de luz y tienen respuestas pico en el rango infrarrojo (IR). Lo infrarrojo ciertamente es una característica de la llama, pero también puede ser emitido por refractarios calientes, metales calientes y gases calientes, y cualquiera de estos puede emitir señales falsas de presencia de llama. La radiación ultravioleta la misma que es abundante en llamas de aceites combustibles, no es emitida en cantidades significativas desde cuerpos calientes a las temperaturas que se encuentran los hogares de las calderas. La fig. 3.29, indica un detector de tubo ultravioleta. El vidrio protector no puede ser ordinario, puesto que bloquea el paso de la radiación ultravioleta, por lo que debe ser de un vidrio especial que atenúe poco la radiación pero el uso de cuarzo no es necesario. La atmósfera interior del tubo es helio a presión baja y los electrodos son de tungsteno extremadamente puro. El sensor de detección de radiaciones ultravioletas provenientes de la llama, funciona bajo el principio de rectificación de corriente.

111 FIGURA 3.22 Detector de Tubo Ultravioleta 3.11 PROTECCION FRENTE A CONTRAEXPLOSIONES. La función más importante del detector, es dar la señal de pare cuando la llama por algún motivo ha desaparecido. La información de presencia de la llama es muy importante en razón de que el sensor enviará una señal de paso libre para continuar con la operación; pero la acción de ninguna manera puede prevenir la formación de una acumulación de mezcla explosiva. Si un detector de llama da una señal de paso libre cuando no hay llama, el sistema permite la entrada al hogar de mezclas inflamables creando situaciones peligrosas. El tiempo de bloqueo del aire y del combustible debe ser mayor que el tiempo de reacción del detector de llama, debido a que los cambios en las condiciones de operación de la llama son más lentos comparados con la transición de la señal de llama y no llama. Cuando la relación aire-combustible es la normal y el fuego se apaga por un corte en el suministro de combustible, seguido del restablecimiento del flujo normal del mismo, entonces la relación aire- combustible altamente inflamable se restablece sin llamas en el quemador, el detector de llama indicará al sistema de control que apague el quemador, cortando el suministro de combustible. Un corte seguro es el que normalmente debería ocurrir. Si el corte de llama ocurre por un enriquecimiento en aire de la mezcla, la situación es segura pese a que el detector pueda estar no operando; la mezcla rica en aire no es inflamable y será descargada por la chimenea sin quemar. Pero si el caso es contrario causando un enriquecimiento por el lado del combustible, la

112 situación no es segura inclusive si el detector trabaja acertadamente, ya que la mezcla rica en combustible puede tornarse inflamable durante el período de purga y encenderse con una fuente de baja energía. Si el detector de llama no funciona correctamente, con la relación airecombustible dentro de los límites de una buena combustión, la operación puede continuar con normalidad, su seguridad dependerá exclusivamente de la operación de los controles aire-combustible. De modo que sin desconocer la importancia del sistema de control, es el detector de llama, el único elemento que puede prevenir que ocurra una explosión CONTROL DE TASA CALORICA. Muchos quemadores tienen la posibilidad de variar su relación de quemado, dependiendo, sea ésta por la carga de la caldera o por secuencia de operación de la caldera. Operación que puede realizarse eléctricamente, reumáticamente o hidráulicamente. Producen cambios en la cantidad de aire y combustible que ingresan al quemador, ya sea por cambio entre dos puntos de operación del quemador, denominados de alto fuego y de bajo fuego o de una manera modulante. Los controles de tasa calórica más sencillos son los que se encuentran en quemadores que tienen dos etapas de encendido. Se denomina primera etapa, a la respuesta de encendido del quemador con un suministro de combustible por una tobera; este encendido puede hacerse mediante un piloto de gas o por arco eléctrico entre electrodos, en ésta etapa se encuentran reguladas las cantidades de aire mediante la posición del damper y el combustible por las características del atomizador y la presión de la alimentación. La etapa segunda, es el encendido de una cantidad mayor de una mezcla aire-combustible, una vez que el sistema de detección ha sensado el establecimiento de llama en la primera etapa, para que este encendido sea seguro. Entonces el control deberá tener la capacidad de alimentar en forma proporcional las cantidades de aire y combustible requeridas para obtener una llama normal en el hogar. El control de la cantidad de combustible que se alimenta al quemador puede hacerse mediante una serie de toberas, cada una de las cuales tiene su propia válvula solenoide; éstas se abren en secuencia mediante un temporizador. Otro método de

113 control son válvulas mariposas o boquillas atomizadoras de orificios regulables, el accionamiento de estos dispositivos se lo hace normalmente por un mecanismo de barras accionadas por un motor que mueve el damper de apertura de aire, con lo que se garantiza la proporcionalidad entre el combustible y el aire. El damper para el ingreso del aire puede accionarse de tres formas: - El primero es hidráulico, y está constituido por parte de la alimentación del combustible enviado por la bomba de alimentación a un pistón pequeño que eleva el damper aumentando el área de admisión del aire hacia el hogar. Este tipo de control limita a dos posiciones finales del damper de alto fuego o de bajo fuego, con lo que se permite dos regímenes de quemado. El retorno a la posición de bajo fuego es solamente por gravedad ayudado por un pequeño contrapeso. - El segundo método, se realiza mediante un pequeño motor eléctrico (motor del damper o motor modulador de registro), el cual mediante un control principal en la caldera, en el momento que la llama se ha sensado, se acciona y con su eje permite la admisión del aire. Con lo que se suministra una cantidad mayor de aire al proceso de combustión (posición de alto fuego). Este es un sistema que toma algún tiempo en completar el ciclo, de esta forma permite que con una adecuada implantación electromecánica temporice también la apertura de las válvula solenoides correspondientes a la segunda etapa de encendido en forma secuencial y sin perturbaciones en la llama existente en el hogar. El retorno del motor a la posición de fuego bajo, es por medio de un sistema de resortes que logran un descenso lento del damper a su posición final. Una ventaja que tiene este sistema es que el motor de damper cuenta en su interior con dos micro-swich que se utilizan como interbloqueos de quemador, el uno para no permitir la apertura de las solenoides del combustible en períodos de purga y otro para detectar la posición del damper con objeto de que el encendido del quemador se realice únicamente en posición de bajo fuego. - El tercer método es eléctrico, y consiste en incluir en la instrumentación de la caldera un motor especial para el accionamiento del damper y de las válvulas de regulación del combustible (motor modulador de registro). Este motor proporciona ventajas adicionales al motor del damper. Siendo la principal la modulación, además de las siguientes ventajas:

114 1.-El quemador operará en la posición de bajo fuego antes de que un corte normal ocurra. 2.-El quemador opera en posición de bajo fuego durante un período de tiempo corto luego de cada arranque en posición normal. 3.-Se eliminan los frecuentes ciclos de encendido y apagado del quemador. Ventajas que permiten mantener una operación confiable de los controles y sistemas eléctricos disminuyendo su desgaste, reduciendo los consumos de combustible y regulando el abastecimiento de vapor a los servicios MODULACION DEL FOGUEO Es la función del motor modulador, por un sistema articulado, controlar el registro de aire y la válvula medidora de combustible para mantener una proporción constante de combustible y aire por toda asignación de fogueo. FIGURA 3.23 Modutrol y Ajuste del Recorrido del Modutrol La operación del motor modulador se controla automáticamente por un control modulador de presión. También un potenciómetro accionado manualmente para fijar al motor una asignación seleccionada de fogueo. El motor modulador (o sea un motor de registro) es de 24 voltios, reversible (por un cambio de polaridad que se da en la tarjeta de control) con un conjunto integral de engranaje para reducir la velocidad, que restringe la acción angular del brazo del motor

115 a un arco de 90 grados y durante la operación normal el motor se detiene en cualquier posición de este radio de acción. El control de presión incluye un potenciómetro conectado eléctricamente a otro potenciómetro correspondiente en el motor modulador. Cambios en la presión del vapor alteran la resistencia eléctrica en el potenciómetro del control modulador. El cambio en resistencia hace a un relevador integral de equilibrio accionar un interruptor interno de tres vías (triac, tiristor o SCR -Rectificador de Silicón Controlado-) para empezar, parar o poner en reverso la rotación del motor. Rotación en cualquier dirección sigue hasta que la proporción de resistencia del potenciómetro del motor y la del potenciómetro del control se iguale. Al lograr este equilibrio, el motor se para en una posición correcta de aire-combustible para la demanda de la caldera. FIGURA 3.24 Diagrama Esquemático Interno del Modulador de Registro Modutrol Un aspecto del alambrado que se destaca en el diseño es que el motor modulador tiene que estar en la posición de bajo fogueo durante la ignición y quedarse así hasta que la llama principal se establezca. Un interruptor de bajo fuego (o fogueo), parte esencial del motor, se actúa por la rotación del motor. El control de programación no avanza a la etapa de ignición a menos que éste interruptor esté cerrado, demostrando así que el registro y válvulas medidoras de combustible están en la posición de bajo fuego. Durante este período los controles moduladores de presión comunican ningún poder sobre el registro, no importa qué posición se les dé.

116 En operación normal, el quemador se apagará cuando la variable controlada alcance el punto de operación, debido a que con la demanda de vapor la presión cae, el quemador se volverá a encender en el diferencial, pero en el control de modulación ubicará el régimen de llama en posición de bajo fuego; si la carga excede la entrada de energía dada por el quemador, el control de modulación responderá incrementando la tasa de quemado proporcional a la diferencia de presión existente con respecto al punto de regulación del valor de modulación. El motor de modulación se detendrá en un punto intermedio en el que la demanda de vapor se balancee con su carga en ese instante, este tipo de operación se denomina de fuego modulante. Lógicamente, este tipo de instrumentación requiere de controles adicionales como son presostatos de modulación y potenciómetros de control. Cuando la caldera se arranca en frío la modulación debe hacerse manualmente pare evitar el choque térmico que significaría el iniciar el trabajo con alto fuego, ya que éste sería el punto de operación de la caldera con controles de modulación CONTROLES DE INTERBLOQUEO DEL QUEMADOR. Los controles de interbloqueo del quemador desempeñan dos funciones: 1.-Verifican que las condiciones necesarias para la combustión hayan sido establecidas. 2.-Prueban si el quemador está listo para el arranque En vista de que las funciones arriba planteadas, serán múltiples los dispositivos que puedan ser controlados antes de poner en operación el quemador, pero la mayoría de estos dispositivos se dirigen únicamente a garantizar la seguridad en la combustión. Los interbloqueos de arranque incluyen el chequeo de la posición del damper (microswitch incluido en el motor del damper), presión de aire en la cámara de combustión (swítch de aire), temperatura del aceite combustible, presión del medio de atomización, presión del gas piloto, controles de tiro de la chimenea, etc. Los quemadores pequeños no requieren de estos interbloqueos; éstos están dirigidos a satisfacer las demandas de seguridad conforme se van incrementando la potencia de los generadores de vapor.

117 Los fabricantes de calderas para poder cumplir con los requerimientos técnicos y de seguridad, deben ajustarse a ciertas normas (ASME, UL, NAPA, etc.), las mismas que hacen que los diseños se perezcan entre sí; esto hace que en la práctica la instrumentación de una caldera difiera en muy poco de otra de características similares. En la siguiente sección se podrá observar como la instrumentación se agrupa alrededor de un elemento único, conocido como programador, que actúa como un cerebro que controla la operación de la caldera utilizando como referencia las señales provenientes de los controles ya descritos PROGRAMADORES Para el estudio de programadores de los generadores de vapor es importante definir en primera instancia los Métodos de Operación Control de Prendido y Apagado (ON-OFF) entre Límites. Algunas unidades pequeñas provistas con quemadores domésticos son controlados de esta forma. Como su nombre lo indica, el flujo de combustible y aire hacia el hogar es intermitente y no varía uno respecto del otro. La cantidad de vapor generado se controla por la longitud de los períodos de prendido (ON) y apagado (0FF). Durante los períodos de apagado (0FF), el vapor es suministrado por la caldera desde la energía almacenada en el agua dentro de la caldera; durante los períodos de encendido (ON) el calor entregado por el combustible genera vapor en la caldera, y también restaura la energía para el período de apagado. Los sistemas de encendido y apagado operan entre dos niveles de presión de vapor. Cuando la presión disminuye hasta su nivel bajo, inmediatamente combustible y aire ingresan al hogar. Cuando la presión alcanza su nivel alto, estos flujos se cancelan. Debido a que el sistema opera entre dos niveles un ajuste del control de presión no puede realizarse, y la presión del vapor es mayor o menor en el rango de operación con los cambios de carga. Una modificación del sistema de prendido y apagado (ON - 0FF) es un sistema de control que opera entre dos niveles de presión (alto y bajo), pero, en lugar de prender

118 y apagar los flujos de combustible y aire se regulan entre los puntos altos y bajo. En la rata de flujo alta, se suministra mayor calor que el necesario al hogar para llenar la demanda, mientras que en la rata de flujo bajo, el calores suficiente para la demanda. Sin embargo, esta modificación proporciona un control más suave que el sistema de encendido y apagado, especialmente en calderas que tienen una demanda Continua. Una segunda modificación de este tipo de control, es el alto-bajo y apagado (high-low-off). Si aún un control más suave se requiere, mayores modificaciones pueden hacerse al control tal que existan varios niveles de presión de operación, cada uno de los cuales tendría un predeterminado flujo de combustible y aire que se suministra al hogar Control de Posición. Si se tiene muchos niveles de presión para distintos flujos de combustible-aire, el control así desarrollado se denomina Control de Posición. Para cada presión de vapor hay un valor correspondiente de flujo combustible-aire. Es posible hacer este posicionamiento fino, tal que, la caída de presión de operación sea solamente del 2 al 3% de la presión de operación de la caldera. Constructores de controles de calderas han desarrollado equipos cuyos resultados es una curva completamente plana para todas las cargas de la caldera. Así, el equipo operará a una presión fija después de cada cambio de carga Control de Medida. Se trata de un desarrollo adicional del control de posición. En lugar de asumir que, para una carga dada en una caldera, hay una posición para el control de flujo de combustible-aire medidos, y los ajustes finales son hechos de acuerdo con la variación de carga. La posición inicial de los flujos de combustible y aire se realizan por elementos primarios sensitivos a la presión de vapor. Estas posiciones iniciales se modifican o se regulan por elementos secundarios; los cuales son sensibles a los flujos actuales de combustible y aire. Por consiguiente, éste es un control que es capaz de observar los resultados de su propio ajuste, y hacer reajustes correctivos a sí mismo.

119 Este control debido a su característica de auto posicionarse, es capaz de manejar muchas relaciones de presión y combustible-aire como sean las necesarias, y es, por consiguiente, un control mucho mejor que el de tipo de posición. En hogares con regulación de tiro, la presión del hogar o tiro debe mantenerse ligeramente bajo la atmosférica. Esto se obtiene por la regulación del ventilador que induce el tiro, el cual no está siendo utilizado para controlar el flujo de aire para el sistema de control de combustión. Ya sea el control de combustión de posición o medida (control QN - 0FF rara vez utiliza este sistema) el control de tiro es el mismo. Este control es sensible a la presión del hogar y hace ajustes al flujo del ventilador en concordancia; sin embargo, debe ser sensible a pequeñas variaciones de presión y ser capaz de responder rápidamente a estos cambios. Algunos constructores hacen este control muy sensitivo a los cambios de presión de vapor como también a los cambios de regulación de tiro, para los ajustes requeridos CONTROL PRIMARIO. El control primario, es el sistema de control y seguridad en la operación de la caldera y del quemador, éste convierte las señales provenientes del detector de llama, controladores, interbloqueos y límites, en una secuencia de operación segura que permite mantener estables las condiciones de operación del quemador. Las funciones del control primario son: 1.-Ordena las operaciones de arranque, trabajo, y corte del quemador o quemadores. 2.-Supervisa la presencia de llama en el hogar y corta el suministro de combustible si no está presente. 3.-Autocontrola las condiciones de operación inseguras. Si estas condiciones están presentes el sistema no arranca CONTROLES PROGRAMADOS A medida que se incrementa la capacidad de los quemadores el riesgo de situaciones peligrosas también aumenta. Con el objeto de obtenerse mayor seguridad es necesario introducir secuencias de encendido más complejas, por ejemplo, se requiere introducir aire a la cámara de combustión antes de arrancar el sistema, también es necesario modular la intensidad de llama o permitir la operación en secuencia de las

120 válvulas solenoides, etc. En resumen el programador de seguridad de llama opera con la siguiente secuencia: 1.- Prepurga 2.- Tiempo de encendido para el piloto 3.- Encendido de la llama principal 4.- Post-purga La prepurga es el período en el cual únicamente el ventilador del quemador trabaja para permitir el ingreso de aire al hogar, tubos de fuego, chimenea y pasos de gases asociados con la transferencia de calor. Su objetivo principal es eliminar la posibilidad de acumulación de mezclas explosivas no quemadas en el período anterior. La post-purga es posterior al corte de la llama en la cámara de combustión, período en el que se realiza un barrido de aire similar al anterior. La post-purga también permite limpiar la descarga de combustible no atomizado que puede quedar después del corte. El tiempo de encendido para la llama principal es el tiempo durante el cual con el piloto de llama encendido, se espera que la llama se estabilice antes del corte del piloto, permitiendo de esta manera que el detector supervise tanto la llama principal como el piloto. El microcomputador controlador y sistema de diagnóstico del caldero ejecuta todas las funciones de: Secuencia de quemado automática, supervisor de llama, indicador de la situación, autodiagnóstico y conservación de energía. Puesto que la seguridad de combustión es la principal tarea del microcomputador controlador y sistema de diagnóstico, un 60% del tiempo de funcionamiento del microcomputador está destinado a hacer 15 diferentes trabajos para rutinas de seguridad. Más de 400 chequeos de seguridad son ejecutados cada segundo que está en operación para chequear la ejecución del sistema de control del quemador total (operación del microcomputador, señales de entrada, operaciones lógicas y comandos de salida).

121 El tipo de detector de llama utilizado puede ser cualquiera de los descritos con excepción de la fotocélula de sulfuro de cadmio. La amplificación de la señal de llama se ejecuta por intermedio de un amplificador electrónico, el mismo que debe corresponder a los requerimientos del detector de llama CONTROL DE PRESION Generalmente en las calderas de vapor la presión del vapor de salida es la variable controlada (señal master), que actúa directamente sobre la operación del quemador accionando dispositivos de parada o arranque dependiendo si las presiones de operación han sido o no satisfechas. El controlador de presión del vapor (presostato) puede ser de uno de los dos tipos generales: de posición proporcional o proporcional más flotación (reset). Para calderas que operan a presiones bajas y tienen una capacidad de almacenamiento considerable de agua y vapor, un tipo de posición proporcional puede utilizarse. En este controlador, el movimiento es directamente proporcional al cambio de presión (entre los límites alto y bajo). Un controlador proporcional más flotación se utiliza en calderas de presión alta y una capacidad relativamente pequeña de almacenamiento. FIGURA3.25 Presostato con Swítch de Mercurio (Pressuretrol Con froller)

122 Los presostatos básicamente están compuestos por un diafragma, un mecanismo de transmisión de movimiento y contactos eléctricos que pueden ser platino y bulbos de mercurio. El diafragma es un elemento que sensa la presión y produce una deformación que será multiplicada y transmitida por un resorte o un mecanismo de barras al elemento que produce el contacto eléctrico (figura 3.25). Los generadores de vapor dependiendo de su potencia cuentan con uno o más presostatos. Uno de los presostatos instalados en las calderas tiene la función de controlar la sobre presión (Control de presión límite) y está regulado a un nivel más alto que el presostato que controla la presión de operación. El control de alto límite provee un factor de seguridad para cerrar el quemador en caso de falla del control de límite de operación; la asignación dada a éste control debe ser bastante más alta que la de operación para evitar paradas innecesarias; no obstante, esta asignación debe hallarse entre los límites de las asignaciones de las válvulas de seguridad y es preferible no exceda 90% de la asignación. Los presostatos tienen puntos definidos para conectar (cut in) y desconectar (cut out). O sea, están ajustados para iniciar su acción cuando la presión se reduce a un valor mínimo predeterminado y termina su acción cuando la presión aumenta hasta un valor máximo determinado. A la diferencia de valores entre desconectar y conectar se define como Diferencial. En general, el tamaño del diferencial depende de cada caso en particular. Además del diferencial, los controles tienen otra característica denominada Rango, el cual también está asociado con los valores de conectar y desconectar. Aunque, al igual que para el diferencial el rango puede definirse como la diferencia entre conectar y desconectar, los dos son diferentes. Por ejemplo, supóngase que el presostato está ajustado para conectar a una presión de 100 psi y desconectar a 110 psi; mientras que el diferencial se dice de 10 psi ( ), el rango está entre 110 y 100 psi. Los puntos de conectar y desconectar por lo general son ajustados en el campo. De acuerdo con las normas, además de los controles eléctricos (presostatos), las calderas deben contar con un manómetro y una o más válvulas de seguridad, calculadas en base a la capacidad de generación de vapor de la caldera y dimensionadas para

123 permitir un rápido alivio de presiones en caso de que ésta sobrepase los niveles permisibles RAZONES PARA LA REGULACION DE PRESION. La presión de vapor no puede mantenerse constante todo el tiempo si la base para la operación del sistema de control cambia por la presión del vapor. Varios factores determinan las variaciones de presión y son: 1.- Características de carga de la planta 2.- Características del generador de vapor 3.- El equipo de control mismo Con una carga constante, la presión del vapor puede mantenerse uniforme. Una carga que varía fuertemente pero en forma gradual, sobre un período de tiempo largo, es más fácil de controlar que una que fluctúa considerablemente. Cargas de plantas de generación, y algunos tipos de procesos industriales continuos, son constantes y fáciles de controlar. Cargas de calefacción y algunas plantas industriales que se incrementan gradualmente, luego permanecen constante y finalmente reducen su demanda, también pueden controlarse. Plantas industriales tales como minas, canteras y cargas de prueba, donde la carga y descarga es fuerte y rápida; su control se vuelve más difícil debido a que se requiere rapidez y exactitud. El diseño del generador de vapor (tipo de caldera, combustible y equipo de combustión) entra dentro de la habilidad de la unidad para responder a los ajustes realizados por el control en respuesta a los cambios de presión. Las calderas con gran capacidad de almacenamiento de agua, son las más lentas en responder a cambios de carga. Mientras que las calderas modernas responden en forma más rápida comparadas con las calderas antiguas que son grandes y largas. Generalmente hablando, las calderas que queman combustibles en suspensión responden más rápidamente a los cambios de ingreso de combustible que aquellas que queman combustibles sólidos. Sin embargo, otros factores tales como disponibilidad o costo del combustible entran en la selección del tipo de quemador.

124 Con una combinación apropiada de caldera, combustible y quemador; aún las más difíciles cargas pueden controlarse. La experiencia indica que cambios en la carga del 15 al 20% de la capacidad de la unidad por minuto puede manejarse sin pérdidas en la eficiencia y presión ACCIONES DEL CONTROL DE OPERACION Y DEL CONTROL DE MODULACION La figura 3.26 muestra la correspondencia típica de las asignaciones del control de límite para operación y el control modulador. FIGURA 3.26 Acciones del Control de Operación y del Control Modulador

125 El quemador funciona cuando la presión está debajo del punto B y no funciona cuando la presión está en el punto A. La distancia entre los punto A y B consta la diferencial de estar parado o funcionando en el control de límite para operación. Bajo operación normal, el quemador se cierra siempre que la presión alcance la asignación A. El interruptor en el control de límite para operación se abre. En cuanto la presión vuelve a caer a B, el interruptor cierra y el quemador torna a funcionar. El control modulador exige en esta coyuntura que el motor modulador se halle en posición de bajo fuego, el control modulador responde para hacer aumentar la asignación de fogueo en proporción a la caída de la presión al punto D. El motor modulador se para en cualquier punto intermedio entre C y D tan pronto como la entrada de combustible equivalga a la demanda de carga. La asignación de fogueo varía según los cambios en la demanda de carga. Esto se conoce como fogueo modulado, ya revisado antes en este capítulo. El punto D representa la asignación máxima del quemador. En caso de que la temperatura o la presión caigan durante pleno fogueo máximo del quemador, esto indicará que las demandas de carga exceden la potencia de la caldera. Aunque se muestra un claro entre B y C, es bien posible que estos puntos se coincidan si las demandas de carga lo exigen. Arreglado como se muestra, el quemador está en la posición de bajo Fogueo a un comienzo y quema en esa asignación por un período breve hasta que la presión cayente requiera un aumento en la asignación del fogueo. En este gráfico se puede ver que no va a lograr esta meta deseable si la asignación C recubre el punto B. En ese caso, al rearrancar, el quemador se impelería a una posición de fogueo más alta inmediatamente después de la prueba de la llama principal y el período breve de calefacción lenta no tendría lugar. Las asignaciones reales, claro, dependerán en su mayor parte en las condiciones de carga que influirán la cantidad diferencial permitida al control de límite para operación y al intervalo entre B y C, si uno existe.

126 FIGURA 3.27 Control de Modulación 3.21 VALVULA DE SEGURIDAD La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), establece que una válvula de seguridad es un elemento automático de alivio de presiones activado por la presión estática del fluido y caracterizado por una acción de abertura total de la válvula. La operación de una válvula de seguridad, está basada en las leyes naturales de los gases y en la mecánica de los fluidos estas son: Los líquidos son relativamente incompresibles. Gases y vapores son compresibles, por consiguiente expandibles. La mayoría de líquidos y gases se expanden en presencia de calor. Un cambio de fase (sólido, líquido o gas) puede ocurrir dependiendo de las condiciones de temperatura y presión Operación de la Válvula de Seguridad

127 La operación de la válvula de seguridad se realiza por la propiedad de comprensión del medio (vapor). Este medio ejerce una fuerza contra el disco de la válvula, la cual resiste por la acción de un resorte. La presión requerida para vencer la fuerza del resorte se conoce como Punto de Operación (set point). El valor del punto de operación está establecido por el código ASME sección 1. FIGURA 3.28 Válvula de seguridad Cuando la presión del medio alcanza el punto de operación, se levanta el disco y expone una área mayor de disco a la presión. Este incremento de área forza a la válvula a abrirse rápidamente, dando lugar al término disparo de la válvula (pop valve). El disco y su ensamblaje de asiento también incluyen unos anillos de ajuste para el soplado (blow down), los mismos que regulan la cantidad de soplado antes que la válvula vuelva a cerrarse. El soplado es la diferencia entre la presión cuando la válvula de seguridad se abre y la presión a la cual se cierra. La cantidad de soplado también está indicada por los códigos pero generalmente no es menor que el 96% de la presión del punto de operación de la válvula de seguridad. La capacidad de la válvula de seguridad está dada en flujo de masa por hora. Debe dimensionarse de acuerdo con la presión de trabajo; y no ser mayor que el 6% de la presión máxima de trabajo. La capacidad para una instalación debe seleccionarse con mucho cuidado. Una capacidad insuficiente puede producir una condición de sobre presión, y una capacidad excesiva puede causar que la válvula vibre, ocasionando un

128 daño en el asiento y en el disco debido al flujo insuficiente. Estas dimensiones críticas, tolerancia y la relación entre sus diferentes partes hacen que la válvula de seguridad sea un instrumento antes que una válvula, y exige una gran calidad de construcción LABVIEW Lab View, Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, Lab VIEW es un lenguaje de programación grafico que utiliza iconos en vez de líneas de texto para crear programas. Los programas de LabVIEW se denominan instrumentos virtuales o Vi, debido a que su apariencia y operación imita a los instrumentos físicos, tales como osciloscopios y multímetros. LabVIEW contiene un número comprensible de herramientas para adquisición/ análisis, despliegue, y almacenamiento de datos, así como herramientas que le ayudan a resolver su código de ejecución. En LabVIEW, se puede construir una interfase de usuario o panel frontal, con controles e indicadores. Los controles son texto, botones de acción, perillas, y otros dispositivos de entrada. Los indicadores son gráficas, LED`s y otros despliegues. Después de que se ha construido una interfase, se le agrega códigos utilizando los VI y

129 estructuras para controlar los objetos del panel frontal. El diagrama de bloques contiene este código. Cada VI contiene tres partes principales: Panel frontal Cómo el usuario interacciona con el VI. Diagrama de bloque El código que controla el programa. Icono/Conector Medios para conectar un VI con otros VIs. El panel frontal es la interfaz gráfica con el usuario en donde se presenta todos los indicadores y controles del programa simulando el panel físico de un instrumento, en donde se ingresa los datos usando el Mouse ó teclado para operar los controles, mientras que el diagrama de bloques está constituido por el código fuente del VI, es aquí donde se realiza todas la programación y procesamiento de datos de la aplicación que se requiere. Cada control o indicador del panel frontal tiene una Terminal correspondiente en el diagrama de bloques. Cuando un VI se ejecuta, los valores de los controles fluyen a través del diagrama de bloques, en donde estos son usados en las funciones del diagrama, y los resultados son pasados a otras funciones o indicadores. A muchas personas les gusta la programación en C o BASIC, estos programas utilizan programación basada en texto para crear líneas de código, mientras que Labview utiliza un lenguaje de programación gráfica lenguaje G, para crear programas en forma de diagrama de bloques. Labview como C o BASIC son sistemas de programación con el mismo propósito general con librerías extensas para cualquier tarea de programación. A los programas desarrollados bajo Labview se les conoce como instrumentos virtuales ó VI, debido a que la apariencia de los controles e indicadores se asemejan a los instrumentos físicos tales como osciloscopios y multímetros.

130 Labview constituye un revolucionario sistema de programación para aplicaciones que involucren adquisición de señales, control, análisis y presentación de datos. Las ventajas más significativas de Labview son las siguientes: Da la posibilidad a los usuarios de realizar soluciones completas y complejas. Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones, comparado con los otros sistemas de programación. El sistema está dotado de un compilador gráfico logrando la máxima velocidad de ejecución posible Principales usos Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como: Adquisición de datos Control de instrumentos Automatización industrial o PAC (Controlador de Automatización Programable) Diseño de control: prototipaje rápido y hardware-en-el-ciclo (HIL) Diseño Embebido Domótica Principales características Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer (programas) relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW y cualquier programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Para los amantes de lo complejo, con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, etc.

131 Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. Presenta facilidades para el manejo de: Interfaces de comunicaciones: o Puerto serie o Puerto paralelo o GPIB o PXI o VXI o TCP/IP, UDP, DataSocket o Irda o Bluetooth o USB o OPC Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones: o DLL: librerías de funciones o.net o ActiveX o MultiSim o Matlab/Simulink o AutoCAD, SolidWorks, etc Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales. Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos. Adquisición y tratamiento de imágenes. Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior). Tiempo Real estrictamente hablando. Programación de FPGAs para control o validación. Sincronización entre dispositivos. Como se ha dicho es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión.

132 La Figura 3.29 muestra un Diagrama de Bloques de un programa en el que se genera un array de 100 elementos aleatorios, a continuación se hace la FFT de este array y se muestra en una gráfica: FIGURA Adquisición de señales Existen algunas maneras de adquirir señales o datos dependiendo de la aplicación que se vaya a realizar; estos pueden ser mediante controles numéricos o boléanos ubicados en el panel frontal del VI, en donde el operador ingresa datos que controlan el proceso. En nuestro caso la adquisición de señales provenientes del esclavo en este caso el programador del caldero, quien es el encargado de enviar y recibir información, como el estado de sus entradas, señales de temperatura y de presión a través del protocolo de comunicación, como en nuestro caso vamos a simular el funcionamiento del caldero en forma ilustrativa, la tarjeta de adquisición de datos es reemplazada por casos prácticos de funcionamiento, debido a su costo, y a la aplicación del presente trabajo. Primero se crea una variable global dentro del VI principal, en nuestro caso hemos utilizado una variable del tipo indicador numérico, debido a que los datos provenientes del programador vienen en formatos enteros y decimales, a continuación se va a configurar para la adquisición de datos de las entradas del programador. Se presiona el botón derecho del Mouse para poder acceder al submenú de configuración Exhibición de magnitudes

133 Para la exhibición de las diferentes magnitudes se utilizo los indicadores virtuales de Labview, debido a que este programador dota de herramientas para crear y modificar el panel frontal como el diagrama de bloques, estas herramientas se utilizan únicamente en el panel frontal, contiene todos los indicadores y controles necesarios para el control y visualización de diferentes magnitudes. Algunas de estas se presentan a continuación: FIGURA 3.30 Herramientas para panel frontal en Labview Para la introducción y visualización de variables numéricas. Para la entrada y visualización de valores boléanos. Para la entrada y visualización de texto.

134 Para representar gráficamente los resultados. Se utiliza para agrupar elementos. Para la visualización de los procesos de carga y vaciado de los tanques de agua y combustible, se opto por un arreglo de LEDS que nos permite visualizar cada uno de los casos cuando han sido activados, debido a que cada elemento del arreglo es de tipo booleano y su control de activación depende únicamente del estado de los finales de carrera Procesamiento de datos El procesamiento de datos se lo realiza directamente en el diagrama de bloques, que es donde se realiza toda la programación y procesamiento de la información proveniente del esclavo, utilizando todos los objetos que se requiere para la implementación del VI, ya sea funciones aritméticas, de entradas/salidas de datos, temporización de la ejecución del programa, estas herramientas se encuentran en la paleta de funciones dentro del diagrama de bloques.

135 FIGURA 3.31 Herramientas para diagrama de bloques en Labview A continuación se enumera algunas herramientas que se requieren en la elaboración del programa: globales. Muestra las estructuras de control del programa junto con las variables locales y Muestra funciones aritméticas y constantes numéricas. Se encuentran funciones y constantes lógicas. Contiene herramientas útiles para procesar datos en forma de vectores, así como constantes de vectores. caracteres. Tiene funciones para comparar números, valores booleanos o cadenas de

136 Contiene funciones para trabajar con cuadros de diálogos, y retardos. Contiene funciones de crear archivos de trabajo así como comandos de lectura y almacenamiento de datos. Todas las funciones presentadas anteriormente se utilizo para el procesamiento de datos para la realización del programa final. Para el procesamiento de los datos de entrada se realizo una simulación del Programador mediante temporizadores que van haciendo secuencias de funcionamiento en cada uno de los procesos, en donde la señal del programador es adquirida en la variable global llamada ENTRADAS, a la cual se la procesa para obtener la información independiente de cada una de las entradas en forma booleana para su utilización dentro del programa principal. Para el control del tanque de condensados o diario de agua, existen indicadores gráficos y de nivel, para el encendido o apagado de la bomba dependiendo del caso de carga de agua, o por motivo de alarma. Para el control de resultados de las señales del VI, se ejecutan en el panel de control principal que se destaca mas adelante. FIGURA 3.32 Interfaz de control hombre maquina tanque de agua

137 FIGURA 3.33 Diagrama de Bloques Control tanque de agua Para el control del tanque de Combustible, se ajusta el sistema a las necesidades de flujo, y de tiempo de encendido como se presenta en la interfaz, existen indicadores que de nivel, de temperatura de volumen y de alarma, variables que serán conectadas según su programación en el diagrama de bloques. FIGURA 3.34 Interfaz de control hombre maquina tanque de combustible En el diagrama de bloques se manejan las secuencias de VI de presentación, definiendo operaciones valores, y detallando de manera explicita el manejo de dichos resultados.

138 FIGURA 3.35 Diagrama de Bloques Control tanque de combustible DESARROLLO DE LA INTERFAZ HOMBRE MAQUINA BAJO LABVIEW. La interface entre Labview y el usuario ó panel frontal cumple un papel sumamente importante debido a que en este panel se encuentran los controles e indicadores, los controles son texto, botones de acción, perillas y otros dispositivos de entrada, los indicadores son gráficas, LEDS u otros tipos de indicadores. Es aquí en el panel frontal donde el operario tiene contacto directo con el proceso, es decir con controles e indicadores, por lo que se opto por la utilización de los controles propios de Labview, de los cuales han sido editados para cambiar su aspecto, como son los de los controles boléanos para tener una interfaz que se asemeje lo más posible a los instrumentos físicos que se tiene hoy en día para el control y visualización de los procesos. Para el diseño de los nuevos controles, utilizamos como modelo elementos como pulsantes, selectores y luces modeladas en un programa de dibujo mecánico, los nuevos controles que se presenta a continuación: FIGURA 3.36 Pulsantes y selectores de ON y OFF modelados para panel frontal

139 Exhibimos las magnitudes provenientes de los canales analógicos de presión y potencia en pantallas como las que se muestran en la figura FIGURA 3.37 Indicadores de presión En el monitoreo de la potencia se utiliza un panel frontal de un solo indicador con un control numérico presentado de la siguiente manera en el panel frontal, figura 3.38 FIGURA 3.38 Presentación Numérica control Para las entradas y salidas digitales de los flujos de agua y combustible se tienen los indicadores booleanos siguientes: FIGURA 3.39 Indicadores de encendido y apagado de las bombas de alimentación del agua y diesel

140 En las siguientes figuras se presentan en estado ON/OFF, los boléanos de alarma del sistema. FIGURA 3.40 Indicadores de Alarma Exhibimos en si el sistema visual del funcionamiento del caldero mediante, el diseño de controles que nos permitan verificar el estado del desarrollo de proceso de encendido, los mismos han sido diseñados, en un programa de dibujo mecánico, los nuevos controles de funcionamiento de la caldera se presentan a continuación: FIGURA 3.41 Proceso de encendido del caldero en estados ON/OFF FIGURA 3.42 Proceso de Barrido

141 FIGURA 3.43 Encendido del Quemador en estados ON/OFF FIGURA 3.44 Sistema de distribución de vapor de agua, en estados ON/OFF FIGURA 3.45 Purgas de Sobre presión inferior en estados ON/OFF FIGURA 3.46 Purgas de Sobre presión superior en estados ON/OFF

142 Los controles indicados anteriormente son los que se utilizo para la Interface entre el panel frontal y el operador. Todos han sido dibujados a partir de modelos reales, al tener los controles y visualizadores parecidos a los que se utilizan en la industria, el usuario va a tener una mejor facilidad en operar el programa. FIGURA 3.47 Panel frontal desarrollado en Labview Estos controles permite al usuario seleccionar el tipo de control del proceso, estos controles tienen un bloqueo lógico dentro del VI, debido a limitaciones propias del control del caldero que se presentaron en el estudio. Cuando el proceso se encuentra en ejecución, se tiene una pantalla dentro del panel frontal donde se exhiben imágenes estáticas que indican la el desarrollo de encendido, llenado y distribución del caldero.

143 FIGURA 3.48 Panel frontal en ejecución FIGURA 3.49 Bloques de programación

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