CALDEROS Emplearemos el término caldera o generador de calor para referirnos a un equipo que es capaz de producir calor al quemar un combustible en su interior, transmitiéndolo posteriormente a un fluido que en la mayoría de los casos será agua y que en general se denominará fluido calor portador. Posteriormente ese fluido se empleará para calefactar un local o producir ACS. Existen muchos tipos de calderas, fabricadas con distintos materiales, para combustibles diversos, etc. ¿Cuál de ellas es la mejor? No existe una única respuesta, todo depende de ciertos parámetros, como por ejemplo: de la aplicación a que se destine la caldera, de la situación de la instalación (no puedes colocar una que funcione con gas natural si no dispones de red de gas en tu población), del coste económico que puedas o te quieras permitir, etc.
Conceptos básicos Como ya comentamos antes, la caldera es un elemento en el que el calor que se pro- duce al quemar un combustible, se transmite posteriormente al agua que circula por su interior y que luego, una vez caliente, pasa hacia el circuito de radiadores, de suelo radiante, etc. El calor se transfiere al agua no solo por el contacto directo entre la llama y el cuerpo de la caldera que contiene el agua, es decir por conducción, sino que se produce también un intercambio por radiación desde la llama a las paredes del hogar y otro por convección, ya que los humos producidos en la combustión y que poseen altas temperaturas calientan las partes metálicas bañadas por el agua. Una caldera se define como un aparato a presión donde el calor procedente de cualquier forma de energía se transforma en utilizable a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. En definitiva, es un aparato en el que se produce el paso de calor desde un combustible a un fluido.
Fig. 1: Esquema de una caldera.
En la figura anterior se representa una caldera provista de quemador, en la que se aprecian las siguientes partes: ‡ Quemador: es el encargado de quemar un combustible líquido, gas o sólido produciendo una llama. ‡ El hogar o cámara de combustión: es donde se quema el combustible y donde se alanzan las temperaturas más altas, próximas a los 2.000 oC. ‡ El circuito de humos: cumple la doble misión de conducir los humos que se producen en la combustión hacia la caja de humos y de arrebatarles el mayor calor posible para luego cedérselo al agua (dejarlos salir directamente a la atmósfera acarrearía entre otros inconvenientes una gran pérdida de energía, al desperdiciar el calor que poseen). Turbulador
Caja de humos
Salida de humos
Fig. 2: Circuito y caja de humos.
Clasificación de las calderas Las calderas se pueden clasificar según una serie de parámetros, como son: ‡ El material de que se construyen. ‡ El servicio que suministran. ‡ El combustible utilizado. ‡ El fluido calentado. ‡ El tipo de cámara de combustión y la forma de extraer los humos. ‡ Calderas de hierro fundido. Estas calderas están formadas por elementos de hierro fundido, acoplados entre sí mediante maguitos en un número que depende de la potencia de la propia caldera, de tal manera que si aumentamos el número de elementos elevamos la potencia y viceversa. En la figura 3 se muestran varios elementos de fundición y en la figura 4 una caldera de fundición
de la que se aprecian los distintos elementos que la forman.
Fig. 3: Elementos de fundición. Fig. 4: Esquema de una caldera de fundición.
‡ Calderas de chapa de acero. Como su propio nombre indica están fabricadas en chapa de acero que se conforma para posteriormente ser soldada. Estas calderas pueden ser pirotubulares, que son las más comunes y en ellas los humos de la combustión se dirigen hacia la chimenea pasando a través de una serie de tubos que están rodeados por el agua a calentar, o acuotubulares, circulando en estas el agua por el interior de tubos que están rodeados por los humos de la combustión.
CALDERAS MURALES Estas calderas utilizan combustibles gaseosos y poseen un volumen reducido, lo que permite que sean encastradas en el mueble de una cocina, además son bastante ligeras y manejables (en comparación con las calderas de pie).
Hasta ahora, tal vez lo máximo que conocías de estas calderas era su cuadro de mandos, posiblemente por ser la parte visible más llamativa y porque en ella se seleccionan y visualizan los parámetros principales que rigen el funcionamiento de las instalaciones.
Calderas murales hidráulicas Denominaremos calderas hidráulicas, a aquellas calderas cuyo funcionamiento está basado en una serie de componentes hidráulicos y mecánicos, lo que las caracteriza por una mayor complejidad y mantenimiento en comparación con las calderas más modernas. Este grupo de calderas, que en la actualidad se encuentran bastante desfasadas, sin embargo siguen presentes en muchas instalaciones de calefacción domésticas y aunque cada vez son más escasas, es interesante conocer su funcionamiento con el fin de capacitarnos en la resolución de posibles averías y de llevar a cabo un mantenimiento adecuado.
REACTORES La principal función de un reactor químico es asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes de tal forma que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas; además de proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción; permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. Los reactores reales son extremadamente complejos con múltiple reacciones, múltiples fases, diferentes patrones de flujo y múltiples corrientes de salida y entrada por lo que es muy importante tener conocimiento sobre reacciones químicas, las funciones principales de cada reactor y las principales desviaciones del modelo de flujo real respecto al ideal tomando en cuenta las zonas Muertas, los cortocircuitos y las canalizaciones Los procesos reales involucran múltiples reactores. Esto puede ser simplemente reactores en serie con diferentes conversiones, temperaturas de operación o catalizadores sin embargo los reactores no ideales; consideran el patrón de flujo, la existencia de zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula, además de una dinámica de fluidos más compleja.
Una reacción química es todo aquel proceso mediante el cual una sustancia química se transforma en otra diferente originándose en un reactor químico como el equipo capaz de desarrollar una reacción química en su interior. En su interior ocurre un cambio debido a la reacción química y están diseñados para maximizar la conversión y selectividad de la reacción con el menor costo, tiempo, y mayor eficiencia posibles.
Clasificación de los reactores: Según las fases que albergan:
Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.
Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-sólido, gaslíquido, gaslíquido-sólido.
Los reactores químicos tienen como funciones principales: – Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. – Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. – Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.
Diferencias entre reactores ideales y no ideales: Los reactores ideales son aquellos en que el tiempo de residencia es igual para todos los elementos
(lo
cual
solo
es
rigurosamente
cierto
para
reactores
discontinuos).
El comportamiento real de los equipos se desvía siempre de situaciones idealizadas, existen tres factores interrelacionados que configuran el contacto o patrón de flujo
Tipo de flujo en reactores reales: Para caracterizar el tipo de flujo en un reactor real, se estudia la respuesta transitoria a un cambio brusco de concentración a la entrada, en ausencia de reacción química. Para realizar el estímulo se emplean sustancias compatibles con el fluido de mezcla y fácilmente analizables (trazadores), y según el tipo de perturbación hay dos curvas típicas de respuesta:
-
Curva F: respuesta a un escalón (cambio brusco y sostenido de la concentración de trazador a la entrada), que suele generalizarse con F=c/co y =t/(V/Vo). Para un reactor perfectamente agitado, el balance al trazador es: Vo(co-c)=V·c/t, e integrando resulta la exponencial asintótica: F= 1-e-.
-
Curva C: respuesta a un impulso (cambio brusco e instantáneo a la entrada del reactor), que se generaliza en este caso con co= m/V, siendo m la cantidad de trazador inyectado.
Modelo de flujo en reactores reales En el caso de los reactores homogéneos isotérmicos(flujo de pistón), para predecir el comportamiento de los mismos debe tenerse en cuenta dos aspectos: - La velocidad a la cual el fluido modifica su composición, en función de la cinética de reacción. - El modo como el fluido pasa a través del equipo, o sea el comportamiento fluido dinámico del reactor. Se ha estudiado hasta el momento dos tipos de flujo ideales para reactores continuos: el reactor de mezcla completa y el reactor flujo pistón. El comportamiento de reactor ideal de mezcla completa supone que el fluido tiene propiedades (composición, temperatura, etc.) idénticas en todos los puntos del reactor. Se asume entonces que la agitación es tal que la mezcla es perfecta en todos los puntos del reactor. Por otra parte el comportamiento de flujo pistón ideal se logra si se cumple que:
a) La velocidad de flujo másico del fluido y las propiedades del mismo (presión, temperatura, composición), son constantes o uniformes en cualquier sección transversal normal al movimiento global del fluido. b) La difusión en la dirección longitudinal (en la dirección de flujo) es despreciable frente al movimiento convectivo del fluido. En la práctica pueden obtenerse situaciones razonablemente similares a las condiciones de idealidad. Sin embargo es necesario determinar de manera más o menos cuantitativa el apartamiento de la idealidad y las posibles consecuencias sobre el funcionamiento del sistema (conversión, producción, costos).
Factores influyen en el apartamiento de la idealidad, por ejemplo: - Diseño geométrico del reactor - Mezclado y agitación - Viscosidad del fluido - Distribución de relleno en lechos empacados Se constatan frecuentemente dos tipos particulares de apartamiento de la idealidad: - canalizaciones: cuando parte de los elementos del fluido pasan a través del recipiente más rápido que otros. - espacios muertos: cuando determinadas zonas del reactor actúan como estancas, disminuyendo el volumen útil del equipo. Estas zonas o espacios muertos pueden tener lugar, por ejemplo en la base de tomas manométricas o esquinas rectas. La magnitud de la no idealidad es un aspecto no controlable en los cambios de escala; esto es, el apartamiento de la idealidad puede ser muy diferente en dos escalas distintas, lo que puede conducir a errores graves en el diseño.
Bibliografía
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[DOC]TIPOS DE FLUJO EN UN REACTOR - OCW UPM ocw.upm.es/ingenieria-quimica/ingenieria-de-la-reaccion.../tflujo.doc
PDF]Cap.4-Flujo no ideal - OCW UPM ocw.upm.es/ingenieria-quimica/ingenieria-de-la-reaccion.../cap4.pd
http://www.imacifp.com/wp-content/uploads/2014/10/4.-Generadores-de-calor..pdf
http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Balancedeenergia_11465.pdf
