CALDERAS

24/11/2014
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).
E. TORRELLA
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.
E. TORRELLA
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24/11/2014
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
E. TORRELLA
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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.
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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.
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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.
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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
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Calderas acuotubulares
Calderas acuotubulares. Quemadores
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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.
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Calderas
Calderas. Elementos básicos
Partes:
Hogar
Quemador
Humos
Intercambiador de calor
Fluido caloportador
Chimenea.
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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.
E. TORRELLA
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DETALLE DE CALDERAS
Calderas: Clasificación
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:
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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.
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Calderas: Clasificación por el
fluido térmico utilizado
Calderas: Clasificación
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.
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Calderas: Clasificación
Calderas: Clasificación
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.
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Calderas: Clasificación
Calderas: Clasificación
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
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Calderas: Clasificación
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.
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CALDERAS PIRO_ACUOTUBULAR
Calderas de condensación
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Calderas de condensación
Calderas de condensación
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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).
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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).
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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.
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Tipos de tiro
Tipos de tiro
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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.
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