Calderas La caldera es el conjunto formado por el cuerpo de la caldera y el quemador y esta destinado a transmitir al agua (fluido caloportador) el calor liberado por la combustión. CALDERAS Las calderas pueden utilizarse para la producción de vapor (para la generación de energía eléctrica o procesos de calefacción) o para la producción de agua caliente (para sistemas de calefacción o suministros de agua caliente sanitaria). Calderas CALDERAS. Introducción Los elementos básicos de que se compone una caldera, Tubo Hogar o cámara de combustión: habitáculo en el que se realiza la reacción de combustión. Cámara hogar: Es el elemento que recibe los humos procedente del tubo hogar Quemador: dispositivo que se encarga de realizar la mezcla del combustible con el comburente para facilitar la combustión. Intercambiador de calor: donde se realiza la transferencia de energía térmica obtenida con la combustión al fluido térmico. Salida de humos: conducto que conduce los gases generados en la combustión hasta la chimenea. La caldera es un mecanismo diseñado para transmitir el calor generado en un proceso de combustión a un fluido contenido en la caldera, que puede ser agua u otro fluido térmico. Las calderas pueden utilizarse para la producción de vapor (para la generación de energía eléctrica o procesos de calefacción) o para la producción de agua caliente (para sistemas de calefacción o suministros de agua caliente sanitaria). Los elementos básicos de que se compone una caldera, son los siguientes: Hogar o cámara de combustión: habitáculo en el que se realiza la reacción de combustión. Quemador: dispositivo que se encarga de realizar la mezcla del combustible con el comburente para facilitar la combustión. Intercambiador de calor: donde se realiza la transferencia de energía térmica obtenida con la combustión al fluido térmico. Salida de humos: conducto que conduce los gases generados en la combustión hasta la chimenea. 1
CALDERAS. Introducción CALDERAS. Introducción Las calderas: la energía de un combustible se transforma en calor para el calentamiento de un fluido. Partes: Hogar Quemador Humos Intercambiador de calor Fluido caloportador Chimenea. Reducir el tamaño de la caldera implica: Limitar el tamaño del intercambiador de calor (aletas, turbuladores) [pérdida de carga en los humos es crítica] Reducir el agua contenida disminuir el tiempo de respuesta Hacer más inestable la temperatura de salida Disminuir la pérdidas térmicas por la envolvente CALDERAS. Tipos CALDERAS. Calderas de fundición; por elementos, la transmisión de calor tiene lugar en el hogar, área de intercambio pequeña y rendimientos bajo; tienenpoca pérdida de carga en los humos y por ello suelen ser de tiro natural. Calderas de acero; combustibles líquidos o gaseosos, por lo que tienen una mayor superficie de contacto y su rendimiento es mejor. Calderas murales; de diseño compacto y reducido, empleadas para instalaciones familiares de ACS y calefacción actualmente se está incrementando su potencia y permiten asociamiento de varias. Clasificación por Tªsalida de los humos Estandar: no soportan condensación, Tªret> 70ºC. Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70 C de forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera. Baja Tª: soportan Tª agua retorno de 35 o 40ºC. Tubos de doble o triple pared gran tamaño Condensación: la soportan de manera permanente. Calderas de condensación (salidas de humos a baja temperatura): Son calderas diseñadas para evacuar los humos a temperaturas próximas a la temperatura ambiente, sin que pueda resultar dañada por las condensaciones. Con este tipo de calderas, además de evitar pérdidas de calor con los humos, se recupera calor latente de condensación del vapor de agua que se ha formado en la combustión, con lo que se obtienen rendimientos elevados. 2
Calderas. Tipos Calderas pirotubulares Clasificación de las calderas por su diseño Calderas pirotubulares, o de tubos de humo. la llama se forma en el hogar pasando los humos por el interior de los tubos de los pasos siguientes para ser conducidos a la chimenea; presentan una elevada perdida de carga en los humos. El hogary los tubos están completamente rodeados de agua. Calderas acuotubulares, o de tubos de agua. la llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de combustión. Soporta mayores presiones en el agua, pero es más cara, tiene problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica. La primera caldera pirotubular de vapor disponía de un solo tubo de intercambio térmico. Calderas pirotubulares Caldera pirotubular con quemador mecánico Son calderas en las que tanto el hogar como los conductos de paso y salidas de humos son unos tubos sumergidos en agua, quedando todo el conjunto encerrado dentrode una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada. El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos al agua que los rodea. Se utilizan para quemar combustibles líquidos o gaseosos, obteniéndose altos rendimientos de funcionamiento que alcanzan el 87%. Campo de aplicación: Producción de vapor de 0.2 a 25 t/h (para un hogar) Presión de trabajo < 25 bar Generadores de agua caliente Generadores de agua sobrecalentada Ventajas Construcción compacta Menores costes de adquisición y montaje que acuotubulares Rápida respuesta a puntas de consumo Alta calidad del título en vapor ( 1) Alto rendimiento Inconvenientes: Producción límte de 0.2 a 25 t/h (para un hogar) Presión máxima 25 bar para un hogar. 3
Calderas pirotubulares Calderas acuotubulares En este tipo de calderas el agua o fluido térmico circula por dentro de unos tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos tubos. Con este tipo de calderas se puede trabajar con mayores presiones y potencias que con las pirotubulares. Campo de aplicación: ió Producción de vapor ; de 1 a 200 t/h. Presión de trabajo > 25 bar Generadores de agua caliente Generadores de agua sobrecalentada Inconvenientes Ato coste de adquisición Alto coste de montaje Baja calidad del vapor (título 0.85). Alta exigencia para el agua de alimentación Bajo rendimiento Calderas acuotubulares Calderas acuotubulares. Quemadores 4
Por el fluido térmico utilizado Por el tipo de hogar Calderas de agua: Utilizan el agua como fluido térmico, calentándola hasta temperaturas cercanas a los 90 C, (sin alcanzar en ningún caso la temperatura de ebullición del agua), con presiones de trabajo de 2 bar. Se utilizan para sistemas de calefacción residencial. Calderas de agua sobrecalentada: El fluido térmico que utilizan es el agua, como las anteriores, pero en este caso se calienta hasta temperaturas que pueden alcanzar los 200 C. Como en estos casos se supera la temperatura de ebullición del agua, es necesario presurizar el sistema para evitar que se forme vapor de agua o que el agua entre en ebullición dentro del sistema trabajando con presiones de hasta 20 bar. Esto hace que la fugas sean el circuito sean muy peligrosas. Se utilizan para calentamiento de grandes espacios o aguas de procesos industriales. Calderas de vapor: Estas calderas operan con el vapor de agua como fluido térmico, con temperaturas entre 200 C y 400 C, operando a presiones de hasta 14 bar. Se utiliza para la calefacción industrial, de locales comerciales y de viviendas. Calderas de fluido térmico: Son calderas en las que el medio de transporte es un líquido distinto del agua. Calderas atmosféricas: Son calderas abiertas, que toman el aire del local en el que están instaladas y con tiro natural por la diferencia de densidad existente entre el aire exterior y los humos calientes que se generan en el hogar. Es necesario evitar que se produzca una ventilación defectuosa de la caldera ya que esto provocaría la combustión incompleta generándose gases tóxicos al mismo tiempo que se provoca una disminución del tiro de la chimenea, dificultando la evacuación de humos al exterior. Calderas con el hogar en depresión: Este tipo de calderas funcionan por la depresión que se crea al instalar un ventilador que aspira los humos para forzar el tiro de la chimenea, evitando de este modo que los humos puedan entrar al local donde está instalada la caldera. La presión en el hogar es inferior a la atmosférica. Calderas con el hogar en sobrepresión: La presión en el hogar es superior a la atmosférica. Los gases son empujados al interior del hogar por medio de un ventilador o soplante, que los obliga a circular más rápido que en los otros tipos de calderas. Calderas estancas: Son calderas con el tiro forzado y que disponen de un doble conducto que permite evacuar los humos y llevar aire del exterior hasta la cámara de combustión. Este tipo de calderas no necesita tomar aire del local para realizar la combustión. Calderas Calderas. Elementos básicos Partes: Hogar Quemador Humos Intercambiador de calor Fluido caloportador Chimenea. 5
Calderas. Clasificación según diseño Calderas pirotubulares Calderas pirotubulares: En este tipo de caldera el humo caliente procedente del hogar circular por el interior de los tubos gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea. El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos al agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada. A través de este recorrido, el humo, ceden gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de esta agua y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta vaporización parcial del agua es la que provoca el aumentodelapresión del interior del recipiente y su visualización en el manómetro. DETALLE DE CALDERAS Calderas acuotubulares o de tubos de agua: En este tipo de calderas es el agua o fluido térmico que se pretende calentar, es la que circula por el interior de los tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos tubos. Existe dos tipos de agrupaciones de tubos, de subida y de bajada que se comunican entre si en dos domos. Debido a que el agua en el interior de los tubos de subida pesa menos por estar mas caliente que la que esta el interior de los tubos de bajada, se establece una circulación del fluido en sentido: 6
Calderas acuotubulares Clasificación de Calderas por el tipo de tiro Tiro Natural: El aire entra por diferencia de densidad (aire / humos). Mayor altura de chimenea. Utilizado en hornos pequeños. Tiro Forzado: Se fuerza la entrada de aire al hogar. Con este tipo de calderas se puede trabajar con mayores presiones y potencias que con las pirotubulares. Se utilizan principalmente para generar vapor de agua. por el fluido térmico utilizado Calderas de agua. Utilizan el agua como fluido térmico, calentándola hasta temperaturas cercanas a los 90 C, (sin alcanzar en ningún caso la temperatura de ebullición del agua), con presiones de trabajo de 2 bar. Se utilizan para sistemas de calefacción residencial. Calderas de agua sobrecalentada: El fluido térmico que utilizan es el agua, como las anteriores, pero en este caso se calienta hasta temperaturas que pueden alcanzar los 200 C. El sistema se encuentra a sobrepresión, ya que se supera la temperatura de ebullición del agua, sin embargo no se produce vapor de agua, ya que el agua no entra en ebullición dentro del sistema. Se trabaja con presiones de hasta 20 bar. Se utilizan para calentamiento de grandes espacios o aguas de procesos industriales. Calderas con el hogar en depresión: Este tipo de calderas funcionan por la depresión que se crea al instalar un ventilador que aspira los humos para forzar el tiro de la chimenea, evitando de este modo que los humos puedan entrar al local donde está instalada la caldera. La presión en el hogar es inferior a la atmosférica. Calderas con el hogar en sobrepresión: La presión en el hogar es superior a la atmosférica. Los gases son empujados al interior del hogar por medio de un ventilador, que los obliga a circular más rápido que en los otros tipos de calderas. 7
Calderas estándar. Son aquellas que no están diseñadas para soportar las condensaciones y que por lo tanto deben trabajar con temperaturas de retorno por encima de aquellas que pueden ocasionar este problema. Dentro de las mismas se pueden distinguir dos tipos: Eficiencia normal: trabajan con temperaturas de humos inferiores a 240 C. Alta eficiencia: es posible lograr temperaturas de humos mas bajas, incluso inferiores a 140 C, sin peligro de condensaciones, por lo que pueden darse rendimientos mas altos, este es el caso de calderas de alta eficiencia. Calderas de baja temperatura. Están construidas para trabajar con temperaturas de retorno bajas sin llegar a producir condensaciones; lo que se logra con diseños especiales de los tubos de humos de modo que la temperatura en el lado de humos se mantiene por encima del punto de rocío aun con temperaturas de retorno de agua bajas. Su principal aplicación es en instalaciones donde se pueda trabajar un numero elevado de horas a temperaturas bajas, de este modo las temperaturas de la envolvente de caldera y de humos son inferiores, aumentado el rendimiento de generación estacional. Calderas de condensación. Están construidas con materiales que soportan las condensaciones sin peligro de deterioro; en las mismas se busca provocar las condensaciones con el fin de aprovechar el calor latente de vaporización del agua producida en la combustión, y de este modo aumentar el rendimiento. Por ello su aplicación principal es en instalaciones donde pueden trabajar un numero importante de horas a baja temperatura. El combustible con mayor producción de agua en su combustión es el gas natural, por lo que resulta el mas adecuado para ser utilizado en calderas de condensación, ya que puede recuperarse mayor cantidad de calor. Por la temperatura de salida del humo Calderas con temperatura de salida del humo estándar: Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70 C de forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera. Estandar: no soportan condensación, Tª ret > 70ºC. Calderas de condensación: Son calderas diseñadas para evacuar los humos a temperaturas próximas a la temperatura ambiente, sin que pueda resultar dañada d por las condensaciones. Con este tipo de calderas, además de evitar pérdidas de calor con los humos, se recupera calor latente de condensación del vapor de agua que se ha formado en la combustión, con lo que se obtienen rendimientos elevados. Calderas de Baja Temeperatura (BT): Son aquéllas que pueden funcionar de forma continua con temperaturas de retorno de entre 35 y 40 ºC y en las cuales puede producirse, en algunas circunstancias, la condensación del vapor de agua contenido en los gases de combustión. Tubos de doble o triple pared y de gran tamaño. Soportan Temperaturas de agua retorno de 35 o 40ºC 8
CALDERAS PIRO_ACUOTUBULAR Clasificación de las calderas murales: En función del tipo de combustión: -Caldera Atmosférica. Absorbe aire del local donde está instalada para realizar la combustión en una cámara abierta. La evacuación de los gases de combustión se realiza a través de una chimenea mediante tiro natural -Calderas estancas: Realizan la combustión dentro de una caja estanca, sin sontacto con el aire del local donde están instaladas. El aire que necesitan para la combustión lo absorben del exterior a través de un conducto. De la misma forma, los gases de la combustión se evacúan directamente al exterior a través de un conducto por tiro forzado. -Estancas convencionales. -De Bajo Nox (oxidos de nitrógeno). Son calderas estancas con un diseño del sistema de combustión que permite disminuir la emsión de NOx (óxidos de nitrógeno) respecto a una caldea convencional, disminuyendo el impacto ambiental de los gases de combustión. -De condensación. Por la aplicación: -Solo calefacción. -Mixta (agua caliente y calefacción) / [también se las llama instantáneas]-mixta con microacumulación. -Con acumulador incorporado. -Con acumulación mediante depósito exterior. Por la potencia: (Gamas domésticas comerciales) 23-25 kw 27-29 kw 33-35 kw >35kW Por las emisiones: Aquellas cuyas emisiones de NOx están por debajo de 70mg/Kwh. Este nivel de emisiones solo lo consiguen las calderas de condensación y algunas estancas de bajo NOx. -Clase 1, Clase 2, Clase 3, Clase 4, Clase 5 (menores emisiones de NOx). Por el rendimiento: La generación de vapor a escala industrial cuenta con más de 200 años de historia. El primer siglo se caracteriza exclusivamente por calderas comparables con las actuales calderas pirotubulares. En el año 1875 [1], es decir, 106 años después de que James Watt inventase la caldera y la máquina de vapor, la empresa Steinmüller diseñó la primera caldera acuotubular. Desde entonces, el desarrollo de las calderas acuotubulares ha sufrido un espectacular cambio de rumbo en lo que se refiere a presión y capacidad. En 1927 entró en servicio la primera caldera Benson con una capacidad de 30 t /h a 180 bar y 450 ºC. Ya en los años sesenta, se diseñaron calderas supercríticas, con una presión superior a 350 bar y temperaturas de más de 600 ºC. En 1970 se consiguió una producción máxima de 1 000 t /h. Sólo 5 años más tarde fue posible fabricar calderas de tubos de agua con capacidades de vapor de más de 2 000 t /h. Debido al principio de diseño, no pueden conseguirse unas producciones tan grandes ni unos parámetros de vapor tan extremos en calderas pirotubulares. Sin embargo, las calderas pirotubulares son aún objeto de mejoras hoy en día. Algunos ejemplos de mejoras inicialmente implantadas por Bosch Industriekessel GmbH es la introducción en 1953 de una caldera de tres pasos con cámara de inversión refrigerada por agua, el desarrollo de una caldera de doble hogar de combustión (1956) o los electrodos de seguridad para controlar el nivel mínimo de agua (1977). De esta manera, hoy en día pueden cubrirse con seguridad y de forma económica unas producciones de vapor de hasta 55 t /h casi exclusivamente mediante una única caldera pirotubular. Dependiendo del tamano, pueden alcanzarse presiones de hasta 30 bar y temperaturas de hasta 300 oc en vapor sobrecalentado. Clasifica el rendimiento (la relación entre la energía del combustible y la energía aprovechada por la caldera), mediante estrellas (desde * hasta ****). A mayor número de *, mejor rendimiento. CALDERAS PIRO_ACUOTUBULAR Calderas de condensación 9
Calderas de condensación Calderas de condensación Calderas de condensación Calderas condensacion. Tratamiento de la acidez En instalaciones de potencia superior a 70 kw, es conveniente tratar los condensados mediante productos básicos para neutralizar su acidez antes de su evacuación al desagüe. Con combustibles gaseosos (gas natural o GLP) cuyo contenido de azufre es muy bajo, las principales reacciones derivadas provienen de la oxidación del nitrógeno (N2) del aire y su conversión a óxidos de nitrógeno (NO2 y NO3, generalizados como NOX), los cuales, al condensar, reaccionan con el agua produciendo ácido nítrico (HNO3), que confiere a los condensados su carácter ácido (ph 4-5). En el caso del gasóleo, con mayor contenido en azufre (S) que los combustibles gaseosos, la combustión proporciona óxidos de azufre (SO2 y SO3, generalizados como SOx). Estos óxidos, en contacto con el agua de condensación, producen ácidos sulfuroso y sulfúrico, que resultan particularmente agresivos (ph 2-4). Algunos fabricantes disponen de equipos neutralizadores que contienen filtros de carbón activo y un granulado neutralizador (magnesio) que reaccionan con los ácidos de los condensados obteniéndose como resultado un agua de carácter prácticamente neutro (ph 6,5 9). 10
Calderas condensación. Evacuación El tiro Con el gas natural se pueden llegar a producir 155 gh2o/kwh PCI lo que, por ejemplo, para una caldera de 30 kw de potencia nominal, supondrían 4,65 l de condensados por hora: 155 g H2O/kWh PCI 30 kw = 4.650 g H2O/h = 4,65 kg H2O/h Estos condensados no deben afectar a la combustión. Para ello, en la salida del circuito de humos debe incluirse un colector de material apropiado para recogerlos y evacuarlos al exterior de manera continua. Se llama tiro a la diferencia de presión que existe entre los gases del hogar y el aire ambiente, lo que permite el paso necesario de aire para la combustión. El tiro puede ser: Natural. Compensado. Artificial. Para vencer la depresión en ese punto creado por la chimenea, debe intercalarse un cierre hidráulico previo en forma de sifón (recuérdese que dos botes sifónicos en serie no desaguan). El tiro natural El tiro artificial Por este medio se obtiene el aire para la combustión y es proporcionado por la chimenea, que al mismo tiempo tiene por objeto lanzar los gases productos de la combustión, a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias al vecindario (gases y no humos). La acción de la chimenea está basada en la diferencia de temperaturas entre los gases calientes y el aire ambiente. A medida que los gases se calientan en el fogón de la caldera, se hacen más livianos al disminuir su densidad y toman un movimiento ascensional; suben por la chimenea y provocan cierta aspiración de aire que da origen a una corriente que desde la sala de calderas, atraviesa el cenicero y toda la instalación, suministrando a los fuegos el aire de combustión necesario. Los gases que salen por la chimenea deben tener una temperatura no menor de 180 ºC, a fin de poder conservar la velocidad necesaria para mantener la aspiración de aire nuevo. Este fenómeno recibe el nombre de tiro o tiraje. El tiraje aumenta en relación a la altura de la chimenea; también influye la diferencia de temperatura entre los gases de la combustión y el aire ambiente; a mayor diferencia de temperatura mayor será la velocidad y fuerza de la corriente de aire. Algunas veces es necesario suplementar el tiraje natural con uno artificialmente provocado. Esto se consigue utilizando un ventilador u otro medio cualquiera, incluso vapor. Con tiraje artificial se tiene la posibilidad de variar la cantidad de aire que llega al hogar dentro de amplios límites.. El tiraje artificial se usa de preferencia: Cuando se queman determinados combustibles sólidos. Cuando hay grandes oscilaciones de carga. En calderas de tres o más pasos. El tiro artificial puede ser forzado o inducido. En el tiraje artificial forzado, obligan al aire a ingresar dentro de la caldera, manteniendo una sobrepresión en el hogar, utilizando ventiladores o inyectores de vapor. En el tiro artificial inducido, un ventilador se ubica a la salida de la caldera succionando los gases desde el interior, impulsándolos hacia la chimenea. Tiende a producir depresiones en el hogar. 11
Tipos de tiro Tipos de tiro Ventajas del tiro artificial sobre el natural Es independiente de las condiciones atmosféricas. Se adapta más fácilmente a las variaciones de carga. Permite quemar carbones de menor calidad, carbones pequeños y capas gruesas de carbón. Con el tiro artificial se puede variar, dentro de límites amplios, la cantidad de aire que llega al hogar; esto permite hacer trabajar a las calderas con sobrecargas mucho mayores que con tiro natural. 12