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UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

EXPERIMENTO DE CALDERAS

IQ-0432 LABORATORIO DE OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE FLUIDOS Y CALOR PROFESOR: ING. BÁRBARA MIRANDA, PHD.

PRESENTADO POR:

YERLIN VÁSQUEZ AGÜERO A96635 LISSETH MORERA CAMPOS A74422 MARÍA BENAMBURG VARGAS A50815 YOSELYN BRENES JIMENÉZ B11127

GRUPO 1.C

CIUDAD UNIVERSITARIA RODRIGO FACIO SAN JOSÉ, COSTA RICA2015

RESUMEN El presente trabajo se realizó con el objetivo de estudiar los elementos básicos de operación de las Calderas, así como evaluar la eficiencia de las mismas, para lo anterior se contó con la Caldera del Laboratorio de Ingeniería Química el Martes 2 de Junio del presente año, esta se ubica en un área específica fuera del laboratorio, es de tipo pirotubular trabaja a base de diésel. Se pretendía tomar mediciones de los gases de chimenea utilizando un medidor de gases para determinar y comparar la eficiencia utilizando dos métodos, uno analítico y el otro gráfico, pero lo anterior no fue posible ya que el equipo estaba en revisión por lo que se nos proporcionó datos. Si fue posible realizar el análisis de aguas tanto antes como después de la puesta en marcha de la Caldera, por medio de la purga de aguas. Se obtuvieron una eficiencia de 56,47% por el método analítico y del 77% por análisis grafico por lo que existe una diferencia significativa entre ambos métodos. Para que exista una mayor eficiencia de la caldera debe darse un correcto exceso de oxígeno de manera que se beneficie la combustión completa. Se recomienda el control de la dureza del agua de alimentación, para evitar al máximo las posibles incrustaciones. Palabras clave: Calderas, Poder Calorífico, Calidad del Agua, Gases, Eficiencia.

ABSTRACT The present work was conducted to study the basics of operation of the boilers, as well as evaluating the efficiency of the same, for the above Caldera had the Laboratory of Chemical Engineering on Tuesday June 2 this year, this is located in a specific area outside the laboratory it is working fire-tube boiler based diesel. Was intended to take measurements of the flue gases using a gas meter to determine and compare the efficiency using two methods, one analytical and another picture, but the above was not possible because the team was under review so we were provided data. If it was possible to make water analysis both before and after the implementation of the Caldera, through the purging of water. an efficiency of 56.47% were obtained by the analytical method and 77% by graphical analysis so there is a significant difference between the two methods. So that there is greater efficiency of the boiler must be correct excess oxygen so that complete combustion benefits. Controlling the feed water hardness is recommended in order to minimize the possible. Keywords: Boilers, Calorific, Water quality, Gas fireplace, Efficiency.

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MARCO TEORICO La caldera es un recipiente en el cual se lleva a cabo una vaporización continua del agua mediante la energía calorífica obtenida de un combustible fósil o nuclear. Debido a que en la caldera se da un cambio de estado de agua a vapor también se le denomina generador de vapor. En una caldera se establecen tres objetivos principales: conseguir un vapor puro, lograr la mayor eficiencia energética posible y además lograr una operación fiable y segura (Rigola M. , 1989). Las calderas de vapor se pueden clasificar por la posición relativa de los gases calientes y el agua, en acuatubulares y pirutubulares; también se pueden clasificar por la posición de los tubos, en verticales, horizontales e inclinados; por la forma de los tubos, de tubos rectos y de tubos curvados, y por la naturaleza del servicio que prestan, en fijas, portátiles, locomóviles y marinas (Severns, 1961).

Dentro de los tipos de calderas empleados en la industria, según lo planteado por Sanz & Patiño (2014) se encuentran:

Calderas de vapor

Calderas de agua caliente

Calderas de agua sobrecalentada

Calderas de fluido térmico

Se resalta en este punto que toda caldera debe disponer de una superficie de absorción de calor capaz de transmitir la máxima cantidad de calor suministrada por el combustible al fluido de trabajo (Sanz del Amo & Patiño Molina, 2014).

Entre la clasificación más importantes están las calderas pitotubulares y las acuatubulares, En la primera los gases de combustión calientes se hacen pasar por una serie de tubos. Los tubos se encuentran sumergidos en el agua de la caldera y estos funcionan como medio de transferencia de calor. Este tipo de calderas se clasifican generalmente como calderas de concha, esto debido a que el agua y el vapor están contenidos dentro de una coraza que contiene

los elementos que producen vapor (Georgia, 1981).

Dentro de las ventajas de las calderas pirutubulares están que son de construcción simple, y son baratas, además de su flexibilidad para adaptarse rápidamente a los cambios de carga, sin embargo este tipo de caldera son lentas en alcanzar la presión de operación a partir de un arranque frío, esto por causa de su gran contenido de agua. La gran mayoría de calderas de este tipo son diseñadas para utilizar una disposición de paso múltiple para los gases de combustión con el objetivo de lograr una transferencia de calor más eficiente (Georgia, 1981).

En las calderas acuatubulares los gases de combustión pasan por fuera de los tubos y los tubos transportan en su interior el agua Figura 1, con el objetivo de transferir el calor necesario para elevar la temperatura y llevar al punto de ebullición el líquido. En estas calderas la mayor parte de los muros de los hornos están cubiertos por bancos de tubos de agua, conocidos como pantallas de agua, que tiene la función de transferir calor al agua para la ebullición y también enfriar el refractorio de la pared del horno (Georgia, 1981).

Figura 1. Caldera acuatubular (Álvarez & Forns Farrú, 2002).

EFICIENCIA La eficiencia de una caldera es la razón entre el calor absorbido por el agua de alimentación al ser convertida en vapor en la caldera y la energía total disponible del combustible que ha

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sido suministrado. La eficiencia es una medida del aprovechamiento del combustible por la caldera la generar una determinada cantidad del vapor (Georgia, 1981).

La eficiencia de una caldera no debe confundirse con la eficiencia de combustión, es decir, no toma en cuenta las pérdidas por combustible, como tal las pérdidas por transmisión de calor en la superficie de la caldera ni las pérdidas por purgas. Sin embargo, aunque estas pérdidas son pequeñas en comparación con la suma de la pérdida de los gases de chimenea y la humedad de estos, el efecto hara siempre que la eficiencia de la caldera, resulte menor que la eficiencia de combustión (Georgia, 1981).

La eficiencia de calderas se puede determinar por medio de dos métodos: el directo y el indirecto.

Método directo

En este caso la eficiencia se calcula a partir de la relación entre la energía aprovechada en la transformación del agua en vapor y la energía que suministra el combustible, como se muestra en la siguiente ecuación (CONAE, 2007):

Eficiencia =

(1)

Donde el calor que sale por el vapor producido está dado por (FENER, 2013):

( )

(2)

Donde

⁄

⁄

⁄

Y el calor suministrado por el combustible está dado por (FENER, 2013):

( )

(3)

Método indirecto

Este método consiste en restarle a cien las pérdidas de calor y puede ser expresado en porcentaje, como se muestra a continuación (CONAE, 2007)

Eficiencia =( )

(4)

Las pérdidas que se deben tomar en cuenta son:

Perdidas por radiación: corresponden al calor que se escapa por medio de la superficie de las paredes. El cálculo de esta se realiza mediante la siguiente formula (Kern, 2009).

(( )

( )

) (5)

Dónde:

⁄

Perdidas por gases: los gases de combustión salen a una temperatura superior a la de la entrada del combustible por lo que se pierde una parte del calor en forma de calor sensible, como se puede ver en la siguiente ecuación (KAI, s.f.):

( ) ( )

(6)

Perdidas por purgas: estas pérdidas se calculan a partir de la siguiente ecuación (KAI, s.f.):

(7)

Como se mencionó anteriormente la eficiencia de combustión es diferente, ya que este consiste en la cantidad de calor que entrega un

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kilogramo, en nuestro caso en particular la del combustible al oxidarse en forma completa. Es decir cuando el carbono pasa a anhídrido carbónico (Fernandez, s.f.).

2 2O C CO (8)

Es importante distinguir entre Poder Calorífico Superior (PCS), y el Poder Calorífico Inferior (PSI), para poder determinar la eficiencia de la Caldera. El Poder Calorífico Superior se define suponiendo que todos los elemento de la combustión (Combustible y aire) son tomados a 0 °C y los productos (gases de combustión) son llevados también a 0 °C después de la combustión, por lo que el vapor de agua se encontrara totalmente condensado. El vapor del agua proviene de la humedad propia del combustible y el agua formada por la combustión del hidrogeno de combustible. El poder calorífico inferior considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustión no condensa, por lo tanto no hay aporte adicional de calor por condensación del vapor de agua, solo se dispondrá del calor de oxidación del combustible.

Existe una relación entre los poderes caloríficos, que está dada como (Fernandez, s.f.):

597PCI PCS G (9)

Donde: PCI = Poder calorífico inferior (kcal/kg comb)

PCS = Poder calorífico superior (kcal/kg comb)

597 = Calor de condensación del agua a 0 °C (kcal/kg agua)

G = Porcentaje en peso del agua formada por la combustión del H2 más la humedad propia del combustible (kg agua/kg comb)

29G H H O

Siendo:

9: los kg de agua que se forman al oxidar un kilo de hidrogeno.

H: porcentaje de hidrogeno contenido en el combustible.

H2O: Porcentaje de humedad en el combustible.

Dichos poderes se pueden calcular de manera analítica o practico, en el método practico se emplea un calorímetro, dicho método consiste en quemar cierta cantidad de combustible y medir la cantidad de calor producida a través de la energía térmica ganada por un líquido conocido, agua, el que, de acuerdo al método a utilizar, puede estar contenida en un recipiente, o permanecer en continua circulación durante el proceso. En un proceso ideal se cumplirá que el Calor liberado por el combustible es igual al Calor ganado por el agua (Fernandez, s.f.):

Comb Agua

Comb a a final inicio

Q Q

Q m cp t t

(10)

Para el método analítico es necesario aplicar el Principio de la Conservación de la Energía, por lo que es mucho más complejo ya que primeramente se debe efectuar un análisis de la composición del combustible y que sucede con los elementos que lo conforman cuando se les somete a calor. Conociendo los valores del PCI y el PCS, se puede plantear la eficiencia en términos de estos de la siguiente manera (Sanz, 2014):

100 %

PCI Pérdidas

PCI

(11)

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FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE UNA

CALDERA

Entre los factores que afectan la eficiencia de una caldera se pueden mencionar: el exceso de aire, el régimen de fuego, la temperatura de los gases de chimenea, la temperatura del agua de alimentación, la temperatura del aire de combustión, presencia de suciedad en la superficie de transferencia de calor, purga, presión de vapor, perdidas de calor en la carcasa de la caldera y el combustible (CII, s.f.).

El exceso de aire: este debe ser el recomendado por el fabricante, ya que un exceso muy grande provoca que la temperatura en los gases se reduzca en gran medida y se pierda parte de calor útil lo que provoca una disminución en la eficiencia, por el contrario poco aire causaría que la combustión no se lleve a cabo de forma completa (CII, s.f.).

Régimen de fuego: al haber una disminución del régimen de fuego se presentan mayores pérdidas debida a la radiación (perdidas al ambiente por medio de las paredes) y a los gases de chimenea secos. Es decir que si la caldera trabaja a porcentajes bajos, respecto a su capacidad total, la eficiencia disminuye en forma proporcional (CII, s.f.).

Temperatura de los gases de chimenea: entre mayor es la temperatura de los gases de chimenea, menor será la eficiencia, ya que esto implica que durante la combustión no se extrajo el máximo de energía liberada. Entre las causas posibles que causan que los gases de chimenea salgan muy calientes esta: el quemador produce más calor del que se requiere para la carga de la caldera, o que las superficies de calefacción no funcionan adecuadamente, es decir presentan suciedad o incrustaciones, por lo que deben ser limpiadas (CONAE, 2007).

Temperatura del agua de alimentación entre mayor sea la temperatura del agua de alimentación, mayor será la eficiencia esto debido a que se requiere menor energía para producir vapor. Es importante mencionar que aproximadamente por cada 6 °C que se logra

aumentar la temperatura del agua de alimentación, se mejora la eficiencia en un 1%, sin embargo, es necesario tomar en cuenta que este aumento podría provocar incrustaciones y o corrosión, por lo que se recomienda un tratamiento de dicha agua (Rigola M., 1990).

Presencia de suciedad en la superficie de transferencia de calor: si la superficie de los tubos que se encuentra en contacto con el agua está sucia, hará más lento el proceso de transferencia de calor, por lo que requerirá más consumo de combustible, y se formara como un efecto aislante de las incrustaciones que pueden provocar un aumento en la temperatura de los tubos. Por otra parte si la superficie de los tubos del lado del fuego se encuentra sucia, aumentara la temperatura de los gases de combustión lo que implica perdidas de eficiencia de un 1% por cada incremento de temperatura de 22 °C (CII, s.f.).

Temperatura del aire de combustión: esta es muy importante ya que el aire es el responsable de que se lleve a cabo la combustión y su temperatura tiene que ser adecuada para que se dé la reacción y se propicie la mayor transferencia de calor (SISTEAGUA).

Purga: el nivel adecuado de la purga es de suma importancia ya que si este es insuficiente se dará la formación de fangos, incrustaciones y arrastres, y si es excesivo provocara grandes pérdidas de calor. Estas pérdidas podrán ser menores si se mejora la calidad del agua (Aranda, Diaz, & Zabalza, 2010)

Presión de vapor: esta depende de la cantidad de combustible empleado, debe de trabajar a la presión que el fabricante establece para evitar accidentes y para que el combustible empleado sea el necesario y no se incurra en una gasto no justificado o cause disminución en la eficiencia (SISTEAGUA).

Perdidas de calor en la carcasa de la caldera: estas se dan principalmente por radiación y por convección, y pueden disminuir en gran medida la eficiencia de una caldera, por lo que es

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necesario emplear un buen aislante y darle mantenimiento al refractario (FENER, 2013)

Combustible: este es un factor que está vinculado directamente con el costo económico al generar el vapor, ya que las características y contenido de hidrogeno por átomo de carbono de cada combustible es diferente, entre menor sea esta proporción se obtendrá una mayor eficiencia (FENER, 2013).

En las calderas se presentan algunos inconvenientes como la corrosión, fragilizacion caustica, incrustación y contaminación del vapor, que más adelante se desarrollaran con el análisis de aguas.

CALDERAS DE LABORATORIO Son de tipo pirotubular ya que la producción de vapor es relativamente baja, donde las altas presiones se convierte en uno de sus mayores limitante, aunque su gran capacidad de almacenamiento de agua le da la habilidad para amortiguar el efecto de ampliar las repentinas variaciones de carga, este mismos detalle hace que el tiempo requerido para llegar a la presión de operación desde un arranque en frio sea considerablemente más largo que una caldera acuotubular.

En general la caldera está compuesta por dos sistemas básicos (Figura 2), uno de ellos es el sistema de vapor de agua; de este lado, el agua es introducida y calentada por transferencia a través de los tubos y convertida en vapor, dejando al final el sistema como vapor. (Gilman & Gilman, 2010).

Figura 2. Diagrama básico de una caldera (Gilman & Gilman, 2010).

En el mercado se puede encontrar las calderas pirotubulares tanto en forma vertical como horizontal, así como diferentes capacidades de potencia, también la alimentación de combustión puede variar ya que se puede encontrar de biomasa, leña, diésel, gasolina así como eléctricas. El mercado también muestra calderas que pueden tener de dos a cuatro pasos.

Hoy en día existe la posibilidad de tener una caldera con sistema automatizado donde se pueden mirar las condiciones en las que se está trabajando con una salida como lo muestra la Figura 3.

Figura 3. Representacion de un sistema de

automatización de una caldera (VYC Industrial, s.f.).

Lo anterior permite que el operador puede detectar la acumulación de parámetros inadecuados ya que este sistema permite gravar las mayores incidencias del funcionamiento y avería, por lo que se puede proceder a realizar el ajuste para evitar las paradas por disparo del dispositivo de seguridad. (VYC Industrial, s.f.)

En el diseño de 4 pasos entres sus ventajas se puede destacar que en la sección de tubos, la separación entre ellos permite una buena recirculación del agua asegurando una mayor transmisión de calor y consiguiendo una baja resistencia al paso de los humos (ATTSU, 2015).

Existen muchos factores de estudio en las calderas uno de los más influyentes en su buen funcionamiento es el agua de alimentación, ya que es un factor que influye en la eficiencia de la caldera, es por ello que a continuación se definen algunos términos importantes para comprender mejor lo dicho anteriormente.

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Entre las ventajas de utilizar este fluido es debido al movimiento de convección, ya que es mucho más rápido; por lo tanto, la tasa de transferencia de calor es alta, lo que se traduce en una mayor eficiencia. Se pueden conseguir altas presiones de operación (Abarca, 2015).

Pero también existen desventajas. Según lo planteado por Abarca (2015), dentro de los riesgos de utilizar agua como fluido de trabajo en las calderas se encuentran las planteadas a continuación:

Embancamiento El barro y la sílice ayudados por algunas sales disueltas producen embancamientos sumamente rápidos, es decir, se depositan en el fondo de la caldera, dificultando o impidiendo la libre circulación y salida del agua. Estas impurezas deben ser retiradas casi en su totalidad antes del ingreso a la caldera, sometiéndolas a un proceso de filtración.

Incrustaciones Son depósitos en forma de costra dura producidos por las sales de calcio y magnesio que se adhieren en las superficies metálicas de la caldera. Por su carácter de aislante, afectan la transferencia de calor al agua reduciendo la capacidad de la caldera, provocan recalentamiento de los tubos con el consiguiente peligro de deformaciones o roturas y restringen el paso del agua (calderas acuatubulares). Los depósitos también pueden originarse en la precipitación de sólidos en suspensión, recibiendo el nombre de lodos adheridos.

Corrosiones Es el deterioro progresivo de las superficies metálicas en contacto con el agua, debido a la acción del oxígeno, anhídrido carbónico y algunas sales como el cloruro de sodio. También pueden ser causadas por compuestos químicos derivados de tratamientos de agua mal aplicados (desincrustantes).

Arrastre Ocurre cuando el vapor que sale de la caldera lleva partículas de agua en suspensión. Los sólidos disueltos en esas partículas se depositan en los elementos y equipos donde circula y se utiliza el vapor, provocando problemas de funcionamiento de los sistemas de vapor. Este fenómeno está muy asociado a la formación de espuma en la superficie del agua. Entre sus causas se tiene la presencia excesiva de sólidos totales disueltos, alta alcalinidad, materiales oleosos, sustancias orgánicas y detergentes.

Fragilidad cáustica Es el agrietamiento (pequeñas fisuras) del metal de los tubos y elementos sometidos a esfuerzos mecánicos. Se produce cuando el agua contiene hidróxido de sodio en exceso.

Sabiendo que existen impurezas que incrementan el riesgo de utilizar agua a continuación se desarrollan más específicamente cada una de ellas.

Sólidos en suspensión El barro y otros sólidos se depositan en el fondo de la caldera, formando un depósito fangoso que facilita el sobrecalentamiento de las planchas inferiores. Estos sobrecalentamientos provocan deformaciones que pueden ser altamente peligrosas. Se eliminan estos depósitos a través de las extracciones de fondo (purgas de fondo) que deben hacerse al final de cada turno, hasta eliminar toda el agua turbia. Lo ideal es eliminar estas impurezas antes que el agua ingrese a la caldera, ya sea a través de una filtración o decantación. Para el caso de las materias orgánicas se procede a agregar pequeñas cantidades de hipoclorito de sodio. En general, el agua potable que suministran las empresas de agua potable ya ha sido sometida a este tratamiento.

Calcio y magnesio Estas sustancias son las responsables de la mayoría de la dureza en el agua, se determinan con objeto de controlar las incrustaciones en la caldera. La cantidad de Ca y Mg presentes en el agua de alimentación pueden emplearse como

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factores de diseño en la determinación de la cantidad de agentes químicos requeridos en el tratamiento interno (Alba & Martínez, 1999).

Sulfatos Contribuyen a aumentar la salinidad total del agua. De esta forma, puede dar lugar a la precipitación de sulfato cálcico en el interior de la caldera si el agua no está perfectamente desenfurecida, así, se puede formar un especie de costra dura que se adhiere a las superficies calefactoras de manera tenaz. Las incrustaciones de este tipo son de difícil eliminación y baja conductividad térmica (Martínez, 2013).

Hierro y cobre Si estos elementos se encuentran presentes en gran medida, pueden formar depósitos e incrustaciones, además puede ocasionar corrosión en los haces tubulares que se encuentran sometidos más directamente a la radiación (Martínez, 2013).

Cloruros Su presencia contribuye a un incremento en la salinidad del agua así como en el carácter corrosivo del fluido (Martínez, 2013).

Sílice Con respecto a este compuesto, no forma incrustaciones, sino que bajo condiciones de operación dadas, tales como: alcalinidad débil, concentración y temperatura elevada, puede precipitar con el sulfato cálcico. En este caso, da lugar a incrustaciones peligrosas por su alta dureza y bajo coeficiente de transmisión de calor, las cuales tienen un aspecto vítreo y cuya adherencia es relativamente elevada. El mayor problema que presentan es que para su eliminación, es necesario un moleteado mecánico, pues no pueden deshacerse mediante la adición de químicos (Martínez, 2013).

Oxígeno disuelto Su presencia puede ocasionar corrosiones de diversa índole, principalmente debidas a la

formación de óxido ferrroso-férrico hidratado (Martínez, 2013).

Fosfatos La cantidad de fosfatos presentes en el agua de alimentación así como la obtenida en la purga una vez se encuentre en funcionamiento la caldera, resulta de utilidad puesto que se puede determinar las incrustaciones así como para tener un control directo de la fragilización (Alba & Martínez, 1999).

En el Cuadro 1, se enlistan los rangos permisibles en la calidad de aguas, de acuerdo con los distintos parámetros de estudio.

Cuadro 1. Parámetros de calidad de agua de calderas

Parámetro Valor

Dureza total (ppm CaCO3)

0

Alcalinidad hidroxida (ppm CaCO3)

200 - 700

pH 10,5 – 11,6 Sulfitos (ppm SO3) 20 – 40

Fosfatos (ppm PO4) 30 – 60 Silice (ppm SiO2) 200 (máximo)

Conductividad (μmohs) 5000 (máximo) Solidos totales disueltos(ppm)

3500 (máximo)

Pero para enfrentar todo lo anterior existen procedimientos que se emplean en la purificación del agua de alimentación como lo es:

Filtración Tiene como fin extraer partículas grandes en suspensión. Se realiza antes que el agua llegue a la caldera. Los filtros pueden ser de mallas (pequeñas instalaciones) o de grava y arena (Abarca, 2015).

Desaireación También llamada desgasificación. Consiste en extraer los gases disueltos (oxígeno, anhídrido carbónico). Se consigue calentando el agua de alimentación, proporcionando una gran área de contacto agua-aire (Abarca, 2015).

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Extracciones o purgas Consiste en evacuar cierta cantidad de agua desde el fondo de la caldera o del domo, con objeto de disminuir o mantener la cantidad total de sólidos disueltos y extraer lodos (en el caso de purga de fondo). La extracción puede ser continua o intermitente. La magnitud de la extracción depende de la concentración de sólidos disueltos a mantener en la caldera y la del agua de alimentación (Abarca, 2015).

Clarificación Este tratamiento puede reducirse a una simple filtración que tiene por objeto retener sobre un soporte las materias minerales u orgánicas contenidas en el agua. La retención de las materias en suspensión por el lecho filtrante lleva consigo el colmatado progresivo con la disminución de la velocidad de filtración y aumento en la pérdida de carga (Martínez, 2013).

Desendurecimiento por intercambio iónico Este proceso tiene como objeto la eliminación de toda la dureza del agua sustituyendo las sales de calcio y magnesio por sales de sodio no incrustantes. Para estos efectos se emplean resinas de intercambio iónico en ciclo de sodio, donde la movilidad de los iones sodio permite las reacciones que se muestran a continuación:

A la salida del ablandador, la dureza total del agua es prácticamente nula (Martínez, 2013).

Son el método más eficiente y económico para eliminar la dureza del agua, causante del sarro, tanto en el hogar como en la industria. El principio sobre el que opera es bastante simple, un ablandador por intercambio iónico reemplaza los iones de calcio y magnesio presentes en el agua por iones mucho más

benignos, en general de sodio. Este proceso

elimina completamente la causa del problema y previene la formación y el depósito de sarro en grifería, cañerías, termotanques, calderas, electrodomésticos y maquinaria que esté en contacto con el agua, protegiéndolos y prolongando su vida útil (BWA, s.f).

El intercambio de iones se produce cuando el agua pasa a través un tanque lleno de pequeñas esferas hechas de un polímero orgánico insoluble, conocidas como resina de intercambio iónico. Las esferas, que tienen una carga eléctrica negativa, atraen a los iones de calcio, magnesio y hierro presentes en el agua, que tienen una carga positiva. Después de haber despojado varios miles de litros de agua de minerales perjudiciales, la resina comienza a saturarse. En este momento, el ablandador necesita entrar en un ciclo de regeneración de la resina para seguir funcionando correctamente (BWA, s.f).

Siguiente la misma idea anterior es utilizando como intercambiador iónico zeolitas de sodio, igualmente se pasa el agua por un lecho de sales de sodio, las que reciben el nombre de zeolitas. Las sales de calcio y magnesio que forman las incrustaciones reaccionan con las zeolitas y son remplazadas por las sales de sodio, ya que estas no producen incrustaciones. El bicarbonato de calcio es convertido a bicarbonato de sodio, y el sulfato de magnesio se transforma en sulfato de sodio, y lo mismo sucede con los otros materiales que forman depósitos (González & Martínez Sánchez, 1999).

La concentración de las sales de sodio en el domo superior de una caldera es regulada por medio de una purga continua, esta purga es diseñada para recuperar el calor que se perdería e caso de no llevarse a cabo, y con el objetivo de mantener automáticamente la concentración de sales a un nivel menor del nivel permitido (González & Martínez Sánchez, 1999).

Una vez que el sodio en las zeolitas ha sido reemplazado por el magnesio y el calcio, el lecho ha sido regenerado, debido a la paso de

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una solución de sal común por el reactor, en la que ha sido sustituida el calcio y el magnesio por el sodio (González & Martínez Sánchez, 1999).

Desgasificación Se emplea para eliminar el oxígeno y el anhídrido carbónico disuelto en el agua de alimentación de las calderas para prevenir problemas de corrosión. Su principio de funcionamiento se basa en la disminución de la solubilidad de forma exponencial que presentan los gases disueltos cuando se encuentran cerca de su punto de ebullición (Martínez, 2013).

TRATAMIENTO DEL AGUA Existen dos tipos básicos de tratamiento del agua: el interno y el externo. El externo consiste en la remoción de las impurezas del agua afuera de la caldera y es usada cuando la cantidad de las impurezas del agua de la alimentación es muy alta para ser tratada dentro de la caldera (Georgia, 1981).

El tratamiento interno consiste en el acondicionamiento de las impurezas dentro de la propia caldera, este proceso es realizado en las líneas de alimentación o en el interior de la caldera, y la aplicación de este tratamiento se puede llevar solo o en combinación con el tratamiento externo. Para el tratamiento interno de las calderas se utilizan una gran cantidad de productos químicos como los fosfatos, que se utiliza como principal producto en el acondicionamiento dela caldera, también se usan quelatos y polímeros, los que tienen la ventaja de mantener las superficies metálicas libres de incrustaciones. Los quelatos o polímeros acondicionan el calcio y el magnesio del agua de alimentación, debido a que estos forman complejos solubles con sales de responsables de la dureza del agua, y los fosfatos tiene la función de hacer que precipite la dureza (Georgia, 1981).

También para ayudar al acondicionamiento de la dureza precipitada se utilizan los taninos, ligninas y almidones. Además para la sustracción del oxígeno del agua se utiliza el sulfito del sodio

y la hidracina. Para la protección de sistemas de condensado se realiza mediante el uso de aminas volátiles que funcionan como neutralizadores se inhibidores de películas volátiles (Georgia, 1981).

Para asegurar una buena calidad del agua interna una caldera y evitar los problemas mencionados anteriormente, es necesario añadir en pequeñas cantidades químicos que no modifiquen su composición y que logren transformar su comportamiento, como por ejemplo: inhibidores de incrustación y dispersantes, e inhibidores de corrosión (FENER, 2013).

Inhibidores de incrustación y dispersantes: Para impedir la formación de incrustaciones cristalinas se utilizan inhibidores que impiden o minimizan la formación de depósitos de sales tales como el carbonato y el sulfato de calcio. Dichos inhibidores además de los tratamientos correspondientes como el de des-endurecimiento y des- carbonatación, aseguran un valor de dureza interior de 0 °F. Por otro lado, también se utilizan dispersantes, cuando lo que se quiere es impedir la formación de depósitos en forma de fangos (FENER, 2013).

Inhibidores de Corrosión: Estos minimizan la velocidad de la corrosión, usualmente se emplean los que pueden fijarse sobre las paredes por absorción o por formación de capas aislantes protectoras, están evitan que haya un contacto directo entre el agua y el metal. Un ejemplo de este tipo de inhibidor es el hidróxido férrico, que se forma a partir de fosfatos y que es capaz de adherirse y actuar como protector, además es importante mencionar que también cumple la función de neutralizar la acidez provocada por el dióxido de carbono (FENER, 2013).

Se utilizan también inhibidores cuya función es reducir el oxígeno disuelto, que como se mencionó anteriormente es una de las principales fuentes de corrosión. Algunos productos que actúan como secuestrantes de

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oxigeno son los sulfitos, los taninos, hidraxina, entre otros (FENER, 2013).

Por otra parte es necesario proteger contra la corrosión, los circuitos de vapor y de retorno de condensados, para este fin se puede utilizar los mismos inhibidores que se utilizan como neutralizantes del dióxido de carbono o algún filmogeno orgánico (FENER, 2013).

Los parámetros que determinan la calidad del agua son los sólidos disueltos totales, que en una caldera de baja presión debe de estar en un máximo de 3500 ppm, la alcalinidad cuyo máximo es de 700 ppm y la dureza, que debe ser prácticamente cero.

Los análisis de aguas de calderas requieren de la toma de muestras representativas del flujo de agua circulante. Para ello, se suelen tomar directamente de la purga de las calderas, donde se extraen las incrustaciones y demás sólidos depositados.

REGLAMENTO

Ya conociendo el funcionamiento de las calderas es necesario también estudiar los reglamentos existentes para la instalación y el funcionamiento de las mismas y por ello que a continuación se menciona los principales puntos del reglamento Nacional de Calderas –Decreto N° 26789.

Tal decreto nace debido al incremento de la instalación de calderas a consecuencia del desarrollo industrial que ha suscitado en las últimas décadas en el país. De modo que se establecen los parámetros a seguir para la instalación y operación de la misma, tomando en cuenta las recomendaciones de organizaciones como el ASME, el NFTA, el OIT, entre otros. Brevemente se detallan algunos aspectos del reglamento.

En el capítulo segundo se clasifica las calderas de acuerdo a su capacidad de generación de vapor:

Categoría A: calderas que generan más de 7500 kg/h de vapor, o superficie de

calefacción mayor de 200 metros cuadrados.

Categoría B: Generan más de 2000 kg/h de vapor, o superficie de calefacción de más de 60 metros cuadrados.

Categoría C: Generan más de 70 kg/h de vapor, o superficie de calefacción hasta 60 metros cuadrados.

Categoría C: calderas que generan hasta 70 kg/h de vapor, o que menos de dos metros cuadrados de superficie de calefacción.

También se puede clasificar de acuerdo a su relación de uso, si son nuevas o usadas, con relación a su instalación, entre permanentes, temporales o portátiles, o también con relación al combustible usado, lo anterior son ejemplo existen 8 clasificaciones que se pueden consultar en el reglamento.

El capítulo tercero dicta los requisitos para su instalación, el permiso que deben solicitar, donde especifican la industria, la ubicación, los teléfonos, el uso, una descripción lo más detallada posible que incluya las dimensiones, dispositivos de seguridad, presiones de trabajo, años de fabricación, además se debe presentar planos con la distribución de la planta (tuberías, diámetros, válvulas).

Los requisitos de diseño varían de acuerdo a la clasificación inicial por lo que una caldera tipo A tiene especificaciones propias y la caldera B otras y así para cada uno, de manera que se garantice un buen funcionamiento de la misma.

El capítulo cuarto menciona los pasos a seguir para una correcta instalación del cuarto de máquinas, así como el compartimiento de calderas, por ejemplo deben tener salidas de emergencia amplias libres de obstáculos, una adecuada iluminación que se mantendrá en todo momento de manera que es independiente y segura. En instalaciones donde se utilice combustible gaseoso se debe proveer ventilación equivalente a un décimo de la superficie del cuarto de máquinas. Además la

12

estructura como tal debe de cumplir con el Código de Construcción y el Código Sísmico.

En el artículo 18 especifica, que de manipularse algún material explosivo o inflamable en locales cercanos a las calderas, éstas sin distinción de la categoría, deberán instalarse dentro de un cuarto de calderas situado a no menos de tres metros del lugar en que esta el material peligroso, dicha distancia puede variar según las indicaciones de la NFPA (National Fire Protection Association).

En el artículo 21 se encuentran los requisitos de las chimeneas, de manera que se garantice el diseño y funcionamiento correcto.

Del artículo 23 al 43 dicta las especificaciones con respecto a accesorios presentes, por ejemplo tuberías, manómetros, medidores de presión, válvulas, sistemas de alimentación del agua, indicadores y controles de nivel, esto para realizar un correcto diseño de la instalación.

Cabe destacar que las calderas son monitoreadas con el Reglamento Sobre Emisión de Contaminantes Atmosféricos Provenientes de Calderas y Hornos de Tipo Indirecto que se creó mediante el decreto N° 36551-S-MINAET-MTSS.

El reglamento establece los valores máximos de emisión a que deben ajustarse los establecimientos cuyos procesos o actividades incluyan la operación de calderas y hornos de tipo indirecto, de acuerdo a la clasificación que se hizo de acuerdo a categorías.

METODOLOGIA A partir de la puesta en práctica llevada a cabo, se pretendía que el experimentador aprendiese los elementos básicos en la puesta en marcha de las calderas. Asimismo, el estudiar los distintos parámetros que afectaban la eficiencia de la caldera de estudio. De igual forma el realizar un análisis cuantitativo y cualitativo de los parámetros a partir de los cuales se controla

la calidad del agua de las calderas. Para conseguir los objetivos planteados, previamente, se estudió el funcionamiento de la caldera así como aspectos generales de su puesta en marcha. Una vez se encendió la caldera, a partir de la utilización de una cámara de calor, se determinó la temperatura en cinco puntos distintos de la coraza de la caldera, teniendo para esto diversos cuidados a la hora de seleccionar los puntos para las tomas de temperatura. De forma análoga, se tomó la temperatura de la chimenea en cuatro puntos; al igual que el caso de la coraza, para determinar las pérdidas de calor al ambiente. Por otro lado, debido a que no se contaba con un analizador de gases, se tomaron datos teóricos para los distintos cálculos; además de determinar la diferencia de presión en un punto dado a partir de la utilización de un tubo pitot. Con respecto al análisis de agua, se tomaron dos muestras, una antes y otra después de poner en funcionamiento el aparato. Mediante su utilización, se realizaron distintas pruebas, de manera que fuese posible determinar la dureza, alcalinidad, sulfitos, fosfatos y cloruros presentes en las muestras. Las determinaciones se realizaron a partir de cambios en la coloración de las muestras, tal y como se muestra en las Figuras 8 y 9 de la sección de Anexos. Este proceso se llevó a cabo con objeto de saber si se cumplía o no con los parámetros de calidad establecidos.

EQUIPO

Cuadro 2. Equipo correspondiente a la práctica

de calderas.

Equipo Insertidumbre Placa

Manometro 0,05 214539 pH-metro 0,0 341657

Beaker 25 - Probeta 0,5 -

Cámara de temperatura

- -

Tubo pitot - -

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Cuadro 3. Constantes de los químicos utilizados en el Kit de agua.

VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO

CALDERAS Variable de estímulo: No hay. Variable de respuesta: Corresponde a la temperatura de los gases de chimenea así como la presión con que salen los mismos. Variable fija controlable: Referido esto a puntos tales como: tamaño de la caldera, presión de operación de la misma, fluido de trabajo, combustible, forma y composición de tubos. Variable fija no controlable: Temperatura ambiente y presión

ANÁLISIS DE AGUAS Variable de estímulo: Calidad del agua de la caldera.

Variable de respuesta: Cantidad de oxígeno, dureza, fosfatos, cloruros, sulfites, alcalinidad y pH. Variable fija controlable.: Corresponde a los reactivos empleados en el análisis. Variable fija no controlable: Temperatura ambiente y presión.

DIAGRAMA DEL EQUIPO

Figura 4. Diagrama de equipo: 1) Salida de

gases, 2) Medidores de presión, 3)

Purga, 4) Mirilla.

Sustancia Masa Molar, M/(g/mol)

TEbu(°C) TFus(°C) ρ

(kg/m3) Toxicidad

Fenolftaleína 318,327 - 262,5 1,277 Carcinógena, irrita levemente los

ojos.

Ácido sulfúrico 98,08 337 10 1,8 Irritante, corrosivo, puede causar

quemaduras Verde

bromocresol 698,04 -

218-219

0,95-1 Irritante, puede causar vómito y

dolores de cabeza

Nitrato de plata 169,87 444 212 4,4 Provoca quemaduras en la piel, es

irritante corrosivo y toxico si se ingiere

Almidón (162,14)n - - 1,5 Irrita piel y ojos Yoduro Yodato - - - - - Molibdato de

amonio 1164 190 90 2,498 Irrita, enrojece y provoca ardor

Cromato de potasio

194,21 -

271,88 -271,9 2,73

Oxidante fuerte, corrosivo, irritante y provoca quemaduras

Cloruro de estaño

189,6 623 247 3,95 irritante

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ANALISIS

En la práctica de calderas se contó con la cadera de tipo pirotubular, la cual se alimenta de combustible diésel. Para el cálculo de la eficiencia del equipo se realizó en base a datos proporcionados por la profesora ya que no se nos facilitó el equipo, debido a que estaba en reparación, por lo que fue imposible obtener los datos de manera directa. Por lo que los resultados que se muestran a continuación provienen de datos proporcionados por la profesora. Siempre se prendió la caldera con la supervisión de un encargado, para medir la presión de la chimenea, así como obtener agua antes y después de un tiempo determinado para realizar el análisis de aguas, que más adelante se comentara. En el Cuadro 3 se muestra los datos brindados por la profesora.

Cuadro 4. Composición de gases de chimenea presentes a la salida de la Caldera.

Gas Composición molar (%)

O2 15.1 CO2 5.7

La temperatura de los gases de chimenea tiene un valor de a 221 °C (494,15K), lo que sugiere que aún contiene energía que podría ser aprovechada para el calentamiento del agua que entra a la caldera.

Si se realizaron tomas con la cámara térmica para diferentes lugares de la coraza y de la chimenea, con el fin de calcular la pérdida por radiación que se muestran en el cuadro 5.

Lo anterior para promediar una temperatura con el fin de obtener una temperatura más cercana a la real, ya que existen factores en la caldera capaces de crear ambientes que provocan modificaciones en la temperatura, por ejemplo la radiación.

Cuadro 5. Pérdidas de Radiación utilizando la temperatura promedio.

Lugar Perdida de calor (W/m2)

T (K)

Coraza 114.59 314.69 Chimenea 369.78 345.78

Los resultados anteriores arrojan que existe una mayor temperatura en la chimenea, que en la coraza y por ende existe mayor perdida por área de la misma.

Lo anterior no es lo recomendable ya que los gases de combustión deben salir al mínimo de temperatura, como indicación de que se extrajo el máximo de la energía liberada durante la combustión este parámetro a su vez esta relacionado intrínsecamente con el exceso de aire recomendado. También se deben controlar las perdidas por radiación y convención en el exterior de la caldera ya que estas también disminuyen la eficiencia, es recomendable darle el mantenimiento refractario adecuado así como verificar el estado del material aislante

El cálculo de la eficiencia de la caldera se realizó tanto por un método analítico como por un método gráfico. A continuación en el cuadro 6 se muestran los datos obtenidos por método grafico más adelante se mostraran los calculados por método analítico.

Cuadro 6. Eficiencia de combustión basada en la composición de gases de chimenea a 429,8 ° F.

Gases %O2 %CO2

Composición 15.1 5.7 η gráfica 78 77

El método gráfico emplea curvas que consideran el combustible empleado y presentan diferentes isotermas de las curvas de porcentaje de oxígeno o dióxido de carbono vs eficiencia.

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En las Figuras 5 y 6 se presentan dichas curvas. La principal limitante en este método está en la interpolación de la eficiencia, pues esto resta exactitud en los resultados. Con este método se obtuvieron las eficiencias mostradas en el cuadro 6.

Figura 5. Eficiencia de la caldera (%) en función del Oxígeno y Temperatura (°F) a la salida de la

chimenea.

Figura 6. Eficiencia de la caldera (%) en función

de CO2 y Temperatura (°F) a la salida de la chimenea.

Por su parte los métodos analíticos consisten en obtener la eficiencia utilizando la ecuación 14 y encontrando los parámetros respectivos para cada una de ellas. En el cuadro 7 se presentan los resultados de los parámetros necesarios para utilizar esta ecuación para el método analítico. Con este método se obtuvo una eficiencia de 56,47%.

Cuadro 7. Eficiencia de combustión de manera analítica.

Constante Valor

Aire en exceso (Ax1) 253 m -9.24 b 903,35

Eficiencia (η) 56,47 %

Como se puede apreciar en los cuadros 5 y 6 existe una variación importante en los resultados por lo que hay una diferencia significativa entre cada método. Si partimos del conocimiento teórico de que la eficiencia de una caldera pirotubular es de 85%, podemos decir que el método grafico se acerca más al esperado. No se logró analizar si la combustión era completa o no ya que no se nos proporcionó el dato de CO, además de que no se conoce como se obtuvieron los datos brindados.

Para mejorar la eficiencia de la caldera se debe tener claro que existen tres factores fundamentales por el que está regido, el oxígeno, el combustible y el calor. El aire está en función del que entra, si se trabaja con un valor bajo de exceso de aire de alimentación conllevaría al aumento de la concentración de CO como producto de la combustión incompleta ya que no hay suficiente O2 para convertirlo en CO2; si por el contrario este parámetro tiene un valor muy elevado produce un enfriamiento de la llama ya que parte del calor se emplea en el calentamiento del aire no utilizado en la combustión, efecto que debe ser contrarrestado con un mayor consumo de combustible, reduciendo la eficiencia.

16

Los combustible comunes consisten de compuestos que contienen cierta cantidades de hidrógeno y carbono que al ser quemados liberan el conocido calor de combustión, pero para dicho suceso se necesita proveer la cantidad adecuada de aire para que se queme completamente el combustible, como se mencionó en el párrafo anterior, pero esto resulta difícil, ya que existen factores como la mezcla adecuada entre aire y combustible, el rendimiento de los quemadores, fluctuaciones de operación, condiciones ambientales entre otros que dificultan el proceso de combustión completa.

Es necesario, por lo tanto mantener un valor óptimo en el flujo de aire para maximizar la eficiencia del equipo, tal que la mayor cantidad de moléculas de oxígeno que entra se convierta en dióxido de carbono al reaccionar con el combustible; sin embargo el CO2 no puede ser lanzado a la atmósfera en concentraciones muy elevadas, por lo que la presencia del exceso de aire es necesaria.

Otros aspectos que afectan la eficiencia de la caldera son las pérdidas de calor por las paredes de la caldera y las tuberías, para disminuir estas pérdidas el equipo se encuentra recubierto por aislante aunque este va perdiendo su efecto con el pasar del tiempo y el uso del equipo. La presencia de contaminantes en el agua de la caldera también afecta la eficiencia y la duración de esta, por lo que es necesario realizar un análisis químico que determine las condiciones presentes en ella.

Con respecto a los parámetros determinados para el agua de la caldera, se tomaron dos muestras, una antes de encender la caldera y la otra con el fluido de trabajo una vez que ésta se encontraba en funcionamiento. Lo anterior, se realizó con objeto de comparar la calidad de ambas muestras.

De manera que sea posible determinar si el agua de las muestras tomadas sigue con los parámetros definidos, se utiliza el Cuadro 6,

mismo en el que se enlista el parámetro de estudio en el análisis así como el valor correspondiente a dicho punto de estudio.

Cuadro 6. Parámetros de calidad de agua de calderas.

Parámetro Valor

Dureza total (ppm CaCO3)

0

Alcalinidad hidroxida (ppm CaCO3)

200 - 700

pH 10,5 – 11,6

Sulfitos (ppm SO3) 20 – 40

Fosfatos (ppm PO4) 30 – 60

Silice (ppm SiO2) 200 (máximo)

Conductividad (μmohs) 5000 (máximo)

Solidos totales disueltos(ppm)

3500 (máximo)

En el Cuadro VI, se muestra la cantidad de ácido sulfúrico requerido para la determinación de la alcalinidad de las muestras, cuyos resultados arrojan datos para la muestra inicial y la final de 380 ppm y 20 ppm respectivamente; tomando lo anterior con los valores propuestos como parámetros de calidad, se concluye que la muestra tomada antes de que se iniciara el funcionamiento del equipo, cumple con los parámetros de calidad; mientras que el agua analizada una vez se puso en marcha la caldera, se encuentra por debajo del valor tabulado. Para el correcto funcionamiento de la caldera, resulta importante que la alcalinidad se encuentre por debajo su valor límite, puesto que si dicho valor fuese sobrepasado, podría traer consigo la producción de carbonatos y la liberación de CO2, cuyo resultado sería la generación de un vapor altamente corrosivo que podría causar daños en las líneas de vapor y retornos de condensados (SISTEAGUA, 2009).

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Como segundo punto, se procedió con la determinación de la cantidad de cloruros presentes en las muestras. De manera que se puedan comparar los datos, se utiliza la información provista en el Cuadro V. La cantidad de cloruros se determinó a partir de la adición de cromato de potasio y que fuese apreciable un cambio en la coloración de la muestra con la adición de nitrato de plata. La importancia de que la cantidad de cloruros de la muestra se encuentre en el rango definido para la calidad a seguir por la misma, se debe a que dependiendo de la concentración en que se encuentre puede afectar las líneas de tubería pues pueden llegar a ser muy corrosivas debido al reducido tamaño del ion, el cual podría penetrar la capa protectora en la interfase óxido-metal y reaccionar con el hierro estructural, para su determinación, se emplea cromato de potasio como indicador y nitrato de plata como valorante, tal y como se mencionó en un inicio (Rigola Lapeña, 1990).

Por otro lado, en la determinación de sulfitos presentes en la muestras, se tiene que la primera muestra recogida, sigue los parámetros planteados en el Cuadro 6; por otro lado, la toma de agua recolectada una vez se puso en marcha la caldera, sobrepasa los parámetros de calidad. Ahora bien, es importante determinar la cantidad de sulfito en el agua de la caldera para controlar la corrosión; en tanto, a partir de la conservación de una pequeña cantidad de sulfito en el agua de la caldera, se elimina el oxígeno disuelto en el agua de alimentación. Un exceso de sulfitos puede afectar la resistencia del material con el que se encuentra construida la caldera; además, en presencia de calcio, puede precipitar y formar incrustaciones que afecten el funcionamiento de la misma (Alba, Martínez, & Sandoval, Análisis de riesgos del tratamiento del agua para calderas, 1999).

De igual forma, se determinó la cantidad de fosfatos presentes, para lo cual se adicionó molibdato reactivo y cloruro de estaño; en este punto, nunca se obtuvo la tonalidad esperada; si no que el cambio en la coloración observada fue

a verde y no a azul; esto según el comportamiento planteado en la teoría. En tanto, no fue posible su comparación con el análisis de altos fosfatos. La importancia de la determinación del fosfato en las muestras es que el ion fosfato forma sale poco solubles y precipita fácilmente como fosfato de calcio (considerando el Ca que puede contener el agua de la caldera); contribuyendo de esa forma en un aumento en la alcalinidad de las aguas (Rigola Lapeña, 1990).

De forma análoga, se deteminó la dureza de las dos muestras de estudio, cuyos resultados se observan en el Cuadro IX. Es importante el control de esta propiedad puesto que la primera causa de la formación de incrustación, se debe al hecho de que la solubilidad de las sales decrece conforme se incrementa la temperatura aumentando la facilidad de precipitación. La alta temperatura (y presión) en la operación de las calderas, las sales se vuelven más insolubles, la precipitación o incrustación aparece. Además, se produce una pérdida en la transferencia de calor e incremento en consumo de energía. Análogamente, la formación de incrustaciones puede causar un sobre calentamiento en el metal de los tubos de la caldera, generando fallas de rompimiento en los tubos. (SISTEAGUA, 2009). Si se comparan los resultados obtenidos con los del Cuadro 6, se observa que la dureza es superior a la del parámetro definido; sin embargo, dada la presión de operación de la caldera, se considera como adecuado un resultado de hasta 20 ppm respecto a este parámetro. A partir de la consideración anterior, se aprecia que para el caso en el que la caldera se encuentra en operación, se sobrepasa el límite; en tanto, es recomendable un chequeo para determinar la causa del resultado obtenido.

Dados los resultados obtenidos, se puede concluir que en la mayoría de los aspectos el tratamiento de calderas es acorde a los parámetros de calidad definidos; sin embargo, en algunos puntos del análisis se muestra que el resultado obtenido no se encuentra dentro de

18

los rangos permisibles; en tanto, en la sección posterior se traen a colación algunos cambios operaciones que pueden resultar útiles para que las muestras de agua cumplan con los requerimientos propuestos en el Cuadro 6.

Con respecto al control de la dureza del agua de la caldera, para alcanzar un alto grado de eficiencia, se recomienda el control de la dureza antes de entrar a la caldera; por lo tanto, se recomienda el uso de un suavizador, reconocido como un medio muy adecuado para proteger a la caldera de incrustación (SISTEAGUA, 2009). Tal y como se muestra en la Figura 7, este punto resulta importante porque dependiendo del espesor de la incrustación, así se va a ver afectada la eficiencia del equipo.

Figura 7. Efecto del espesor de la incrustación en la eficiencia de la caldera (CONUEE, 2009).

Por otro lado, se recomienda además la eliminación de oxígeno en el agua de alimentación, para lo cual es necesaria la utilización de un deareador, mismo en donde el agua de repuesto y el retorno del condensado son mezclados, calentados y agitados mediante la inyección de vapor; así, se logra una separación del oxígeno de los gases no condensables (CONUEE, 2009).

Se recomienda además, un control estricto en lo referido a la cantidad de sodio, magnesio, calcio, sílice y potasio, esto pues pueden formar incrustaciones.

Análogamente, se recomienda la determinación de la conductividad eléctrica del agua, esto pues es un indicador del total de sólidos presentes así

como un indicativo de la cantidad de descarga (purga) requerida (Alba, Martínez, & Sandoval, Análisis de riesgos del tratamiento del agua para calderas, 1999).

CONCUSIONES

Existió una variación importante en los resultados por lo que hay una diferencia significativa entre cada método.

Para que exista una mayor eficiencia de la caldera debe darse un correcto exceso de oxígenos de manera que se beneficie la combustión completa.

Las muestras tomadas siguen los parámetros de calidad establecidos, exceptuando las pruebas sulfitos realizadas para el agua una vez la caldera se encontraba en funcionamiento.

Las pruebas de fosfatos no fueron concluyentes pues no se observó el cambio en la coloración esperado para poder compararse respecto al analizador visual provisto.

Dada la presión de operación de la caldera de estudio, se concluye que la dureza de la muestra tomada al final está fuera del rango; sin embargo, el incremento experimentado no es tan brusco. Por lo tanto, con un tratamiento adecuado se puede llegar al valor de calidad de interés.

RECOMENDACIONES

Se recomienda la realización de otras pruebas para tener más conocimiento del tipo de agua de la caldera, tal es el caso del análisis de sílice presente.

Se recomienda el control de la dureza del agua de alimentación, para evitar al máximo las posibles incrustaciones.

Es recomendable la utilización de un deareador para eliminar el oxígeno presente.

19

Análogamente, se recomienda la determinación de la conductividad eléctrica del agua, esto pues es un indicador del total de sólidos presentes así como un indicativo de la purga requerida.

Asegurar antes de iniciar el laboratorio que el equipo se encuentra en buen estado.

Que la cantidades para realizar las pruebas sean más exactas, porque las medidas que se mencionaban eran muy abstractas.

NOMENCLATURA Área

Calor ⁄

cp Capacidad

Calorífica

cal/g K

Caudal másico ⁄

⁄

adim

Entalpia ⁄

PCI Poder calorífico

inferior

kcal/kg

PCS Poder calorífico Superior

kcal/kg

T Temperatura K

Subíndices

a agua

p Purga

r Radiación

s Calor sensible,

temperatura de

carcaza

sum Calor

suministrado

comb combustible

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Anexos

DATOS EXPERIMENTALES Cuadro I. Diferencia de presión medida con el tubo pitot

Presión del manómetro de caldera, P /(psi)

Diferencia de presión con tubo

Pitot, ΔP/(Pa)

40 25,6 50 26,0 60 27,2 75 28,4

Cuadro II. Temperatura obtenida en diferentes puntos de la caldera empleando una cámara de calor

Punto Temperatura, T/ (°C)

1 37,9 2 41,2 3 40,5 4 41,5 5 46,6

Cuadro III. Calibración del pH-metro

Buffer pH T/(°C)

4 3,99 25,6 7 6,95 25,2

Cuadro V. Determinación de la alcalinidad

Muestra de agua

Gotas de ácido sulfúrico

ppm

Inicio 38 380 Final 2 20

Cuadro V. Determinación de cloruros presentes en la muestra

Muestra de agua

Gotas de nitrato ppm

Inicio 13 130 Final 4 40

Cuadro VI. Determinación de sulfitos presentes en la muestra

Muestra de agua

Gotas de

yoduro de

yodato

ppm pH T/(°C)

Inicio 2 20 2,12 25,3 Final 20 200 2,65 25,7

Cuadro VIII. Determinación de cantidad de fosfatos presentes en la muestra

Muestra de agua

Puntas de espátula de polvo

de cloruro de estaño

Inicio 2 Final 2

Cuadro IX. Determinación de dureza total presentes en la muestra

Muestra de agua

Gotas de Buffer de dureza

ppm

Inicio 1 10 Final 3 30

Cuadro X. Temperatura medida en la

chimenea

Toma Temperatura, T/°C

1 94,44 2 101 3 51,4 4 43,8

22

Imágenes de las pruebas realizadas con el kit de aguas.

Figura 8. Resultado de las muestras del agua entes

del encendido de la caldera.

Figura 9. Resultado de las muestras del agua

después del encendido de la caldera.

MUESTRA DE CÁLCULO

Porcentaje de la Eficiencia de Combustión en forma analítica.

( )

(12)

( ) (13)

( )

(14)

(

) (

(15)

Pérdidas por radiación.

(( )

( )

) (16)