sábado, 5 de mayo de 2012

QUEMADORES INDUSTRIALES

Un quemador es un dispositivo para quemar combustible líquido, gaseoso o ambos (excepcionalmente también sólido) y producir calor generalmente mediante una llama.
Habitualmente va asociado a una caldera o un generador de calor para calentar agua o aire, pero también se usa en procesos industriales para calentar cualquier sustancia.
En función de su tamaño, los puede haber desde uno como un encendedor de cigarros para calentar una probeta hasta uno gigantesco capaz de producir 30000 KW o más.
El combustible usado puede ser gaseoso, generalmente gas natural, butano, propano, etc.; líquido, generalmente gasóleo (también fuel) o una combinación de ambos (gas y gasóleo), en cuyo caso se denomina quemador mixto.
Los hay atmosféricos, que producen la llama a presión ambiente, y con soplante, donde un ventilador se encarga de aumentar la presión del aire necesario para la combustión, lo que hace que se pueda quemar más cantidad de combustible y que el rendimiento sea superior.
En algunos países del Este, como Polonia y Ucrania, también se solía mezclar polvo de carbón con gas, para aumentar el poder calorífico del combustible, pero no es norma habitual hoy en día.

Principio de funcionamiento con combustible líquido

Una bomba de gasoil se encarga de someter el combustible líquido a una elevada presión que, al introducirlo por un tubo hacia una boquilla con un orificio muy pequeño, hace que salga pulverizado (como un aerosol) y mezclado con aire, que un ventilador se encarga de introducir en el hogar de la combustión. Es justo en ese momento cuando se produce una ignición para prender una llama, por medio de un electrodo de ignición.

Principio de funcionamiento con combustible gaseoso

En este proceso no es necesario convertir el líquido en gas. Se introduce directamente el gas mezclado con el aire en el hogar y, mediante una chispa, se prende la llama.
En este sistema hay más dispositivos de seguridad porque, al contrario de lo que ocurre con el gasóleo, el gas sí arde en condiciones ambientales. En cambio, en el caso del gasóleo es necesario calentarlo o someterlo a presión para que arda.

CALDERAS

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:

Esterilización (tindarización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).
Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petroles pesados y mejorar su fluidez.
Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado

Historia
Cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias.
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua). Hasta principios del siglo XIX se usó la caldera para teñir ropas, producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para 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. Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fue empleada como máquina para accionar bombas de agua, de cilindros verticales; fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa en el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años, como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas está la poca velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia; necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de caldera, se han construido para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes, tanto de carga como de pasajeros. Hay una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir, los gases de combustión caliente pasan por los tubos, cediendo su calor al agua que los rodea.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

Tipos de caldera

Esquema de una caldera acuotubular.

Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.

Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape.

Elementos, términos y componentes de una caldera

Agua de alimentación: es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización.
Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor.
Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones.
Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada.
Condensador: sistema que permite condensar el vapor.
Estanque de acumulación: es el estanque de acumulación y distribución de vapor.
Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.
Purga de fondo: evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera.
Purga de superficie: evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.
Fogón u hogar: alma de combustión del sistema,

para buscar una mejora continua de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera.

Combustible: material que produce energía calórica al quemarse.
Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada.
Ciclos de concentración: número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación.
Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO₃ que confiere una concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5.
Desoxigenación: tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas.
Incrustación: sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera.
Dispersante: sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación.
Antiincrustante: sistema químico que les permite a los sólidos permanecer incrustantes en solución.
Anticorrosivo: sistema químico que brinda protección por formación de filmes protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.
Corrosión: véase Corrosión
Índice de vapor/combustible: índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera.

TURBINA DE GAS

Turbina de gas

Esquema de un ciclo Brayton. C representa al compresor, B al quemador y T a la turbina.

Montaje de una turbina de gas.

Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.
Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.

Análisis termodinámico

Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le entrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un balance de energía:
$u_e + p_e v_e + g z_e + \frac{{c_e}^2}{2} + q = L + u_s + p_s v_s + g z_s + \frac{{c_s}^2}{2}$
Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a diferencia de otras nomenclaturas el trabajo $L$ es considerado positivo si sale del volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; $c$ es la velocidad, $u$ es la energía interna, $p$ es la presión, $z$ es la altura, $q$ es el calor transferido por unidad de masa y $v$ es el volumen específico. Los subíndices $s$ se refieren a la salida y $e$ se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:

Consideraremos este proceso como adiabático.

$q=0$

El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja densidad de los gases.

$g z_e - g z_s = 0$
Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión para obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbina del fluido de trabajo:
$L=(h_e-h_s)+(\frac{{c_e}^2}{2}-\frac{{c_s}^2}{2})$
El termino $h$ es la entalpía la cual se define como $h=u + pv$ .

TURBINA DE VAPOR

Turbina de vapor

Rotor de una turbina de vapor producida por Siemens, Alemania.

Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estátor. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estátor también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.
El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores.

Clasificación
Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbomáquinas son susceptibles a los mismos criterios de clasificación de éstas. Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo a su grado de reacción:

Turbinas de acción: El cambio o salto entálpico o expansión es realizada en los álabes directores o las toberas de inyección si se trata de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos están sujetos al estátor. En el paso del vapor por el rotor la presión se mantendrá constante y habrá una reducción de la velocidad.
Turbinas de reacción: La expansión, es decir, el salto entálpico del vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estátor, cuando este salto ocurre únicamente en el rotor la turbina se conoce como de reacción pura.

Principio de funcionamiento

La ecuación general de las turbomáquinas fue hallada por Euler y su demostración se encuentra en el artículo de turbomáquinas. La forma para el trabajo por unidad de masa que atraviesa el rotor de las turbomáquinas motoras axiales es:
$L=u[c_1\cos(\alpha_1)-c_2\cos(\alpha_2)]\,$
Donde $u$ es conocida como velocidad periférica y es la velocidad lineal del rotor, $c_1$ y $c_2$ son las velocidades absolutas del fluido de trabajo antes y después de pasar por el rotor respectivamente, $\alpha_1$ y $\alpha_2$ son los ángulos entre la velocidad absoluta y la velocidad periférica antes y después de pasar por el rotor. Si introducimos el concepto de velocidad relativa $\vec{w}$ , que es la velocidad del fluido respecto al rodete, y definimos el ángulo $\beta$ como aquél que existe entre la velocidad periférica y $\vec{w}$ podemos reescribir la ecuación anterior, por propiedades del triángulo como:
$L=\frac{{c_1}^2-{c_2}^2}{2}+\frac{{w_2}^2-{w_1}^2}{2}$
Ahora escribamos la primera ley de la termodinámica para un balance de energía del fluido de trabajo en su paso por el rotor, suponiendo a éste un proceso adiabático:
$L=\Delta h + \frac{{c_1}^2}{2} - \frac{{c_2}^2}{2}$
Recuerdese que consideramos que $L$ es definido positivo.
$\frac{{c_1}^2-{c_2}^2}{2}+\frac{{w_2}^2-{w_1}^2}{2}=\Delta h + \frac{{c_1}^2}{2} - \frac{{c_2}^2}{2}$
Encontramos así que el cambio entálpico es igual al cambio de los cuadrados de la velocidad relativa:
$\Delta h = \frac{{w_2}^2-{w_1}^2}{2}$

Abastecimiento de vapor y condiciones de escape

Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento, extracción e inducción.
Las turbinas de No condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.
Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.
Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión.
Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.

POR FAVOR REVISAR EL SIGUIENTE ENLACE SOBRE DISEÑO DE TURBINAS DE VAPOR:

http://es.libros.redsauce.net/?pageID=20

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