Breve investigación de la caldera industrial y su relación con las superficies en el plano tridimensional.

1. Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla
Facultad de Ingeniería
Química
Materia: Cálculo III
Investigación 1: Aplicación de las superficies
Periodo: Otoño 2016
Nombre(s):
No. De
Matricula:
Licenciatura en:
Melchor Alberto Alicia 201559766 Ingeniería Química
Miranda Valdovinos Rosa Nayeli 201512759 Ingeniería Química

2. Índice
INTRODUCCIÓN:.................................................................................................................................. 1
CALDERA.............................................................................................................................................. 2
¿Qué es?.......................................................................................................................................... 2
¿Para qué sirve?.............................................................................................................................. 2
 Clasificación de las calderas:.......................................................................................... 3
Objetivo de construcción ................................................................................................................ 5
Requisitos del diseño ...................................................................................................................... 5
Diseño óptimo:................................................................................................................................ 6
Descripción matemática:................................................................................................................. 7
 Ejemplos de cilindros circulares:.................................................................................... 9
CONCLUSIÓN:.................................................................................................................................... 11
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ........................................................................................................ 12

3. 1
INTRODUCCIÓN:
A lo largo de nuestra vida como estudiantes solemos cuestionar el para qué de las
materias que estudiamos, quizá la mayoría se haya preguntado ¿para qué sirve Cálculo?
y ¿cuáles son sus aplicaciones en la vida cotidiana? Estas preguntas son más comunes
de lo que imaginamos, y las respuestas son más amplias de lo que creemos. En este
trabajo nos enfocamos en un tema de Cálculo en específico, titulado superficies en R3
(superficies tridimensionales), en el cual se pretende tratar de resolver preguntas como
las anteriores. Es así como se aborda una de muchas aplicaciones industriales que
pueden tener las superficies en R3
. Para este trabajo escogimos como superficie el
cilindro circular ya que es de las figuras más cotidianas en una industria y en muchas
ocasiones se ignora este hecho, una de las aplicaciones del cilindro en la industria se da
en el uso de las calderas. Es por esto que en este documento se habla de qué son, para
qué sirven, su finalidad dentro de la industria, los requerimientos para su diseño, y así
mismo se describe de manera matemática la figura en el espacio tridimensional tomando
en cuenta la ecuación general y la gráfica de la función para un cilindro circular, así como
las trazas que lo conforman. De esta manera quedará ejemplificada la pregunta del
cálculo aplicado en la vida cotidiana y además en la industria, lo cual es muy importante
ya que los ingenieros químicos utilizan esta máquina todos los días en la industria para
poder obtener productos o servicios que resuelvan la demanda de la población a escala
global.
Así como esta aplicación existen más aplicaciones del tema considerando las superficies
en R3
o bien algún otro tema que sea de interés en el ámbito de Cálculo, ya sea
diferencial, integral o vectorial.

4. 2
CALDERA
¿Qué es?
En la industria una caldera es un recipiente metálico, cerrado, dotado de una fuente de
calor donde se calienta o se hace hervir el agua.
Según la ITC-MIE-AP011
, caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente
de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio
de transporte en fase líquida o vapor.
¿Para qué sirve?
Sirve para a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una
temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. Dependiendo
de los criterios bajo los cuales se clasifiquen será su uso en la industria.
1
Instrucción Técnica Complementaria-Ministerio de Industria y Energía-Aparatos a Presión.
Ilustración 1
Forma de una caldera industrial
Fuente: http://www.bosch-
industrial.com/images/Dampf_ULS-r_Produkt_COM.jpg

5. 3
Clasificación de las calderas:
Para realizar una clasificación de las calderas se requiere de ciertos criterios:
a) En función a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de
combustión:
Ilustración 2
Partes de una caldera y su función
Fuente:
http://www.calderaspimmsa.com.mx/c052_contenido_armado
/c052_componentes_c_horizontal.png

6. 4
 Con tubos múltiples de humo – Pirotubulares (Ilustración 3).
 Con tubos múltiples de tubos de agua – Acuotubulares (Ilustración 4 y 5)
Ilustración 3
Caldera pirotubular
Fuente: http://www.cmind.com.mx/wp-
content/uploads/2013/02/caldera-horizontal.jpg
Ilustración 5
Estructura externa de una caldera
acuotubular.
Fuente:
http://www.inpsasel.gob.ve/moo_
news/images_noticias/hospital_01
0.jpg
Ilustración 4
Estructura interna de una caldera
acuotubular.
Fuente: Baltazar, L., Cabello, V. Nuevas
Tecnologías en auditoria en sistemas de
vapor de una refinería de petróleo
(calderas) (tesis de grado). Instituto
Politécnico Nacional, CDMX.

7. 5
b) En función del tipo de tiro
 Tiro natural.
 Tiro inducido.
 Tiro forzado.
c) En función de las necesidades energéticas del proceso
 Calderas de agua caliente.
 Calderas de agua sobrecalentada.
 Caldera de vapor saturada.
 Calderas de vapor sobrecalentado.
 Caldera de fluido térmico.
Objetivo de construcción
La función principal de la caldera es proporcionar un medio por el cual el calor procedente
de la combustión se trasmita al agua o al vapor que debe ser calentado.
A nivel industrial las calderas de vapor son utilizadas en la generación de vapor o agua
caliente para plantas de fuerza o procesos industriales, teniendo aplicaciones en
actividades tales como:
 Esterilización (tindalización)
 Calentamiento de fluidos (aparte del agua)
 Impulso/Movimiento (motriz)
 Generación de electricidad
 Hidratación
 Humidificación
 Atomización
Requisitos del diseño
Al momento de diseñar una caldera se deben tomar en cuenta los siguientes
requerimientos:
 Se debe aprovechar el calor del combustible por medio de tubos para ampliar la
superficie de calefacción.

8. 6
 Se debe de analizar la cantidad de vapor requerida dependiendo de la industria a
fin de asegurar que la caldera cumpla con las condiciones de la demanda,
tomando en cuenta: las características de la carga2
y las variaciones previstas de
la carga.
 Presión, temperatura, calidad del vapor requerido.
 Calidad del agua de alimentación.
 Tipos de combustibles necesarios y disponibles.
 Diseño de quemadores. Debe tomarse en cuenta el control medioambiental debido
a las emisiones atmosféricas procedentes de las calderas industriales. Un buen
quemador regulariza las emisiones atmosféricas.
 La transmisión de calor debe de ser económica
 El tamaño de la caldera está influenciado por su localización en la industria.
 Se requiere una especial atención a los materiales de fabricación de la caldera,
extremo cuidado de las técnicas de construcción, y rigurosos procedimientos
operativos, tales como puesta en marcha, calentamiento y enfriamiento de la
caldera.
 La caldera debe ser accesible para su mantenimiento manejo y reparación por
parte del personal que normalmente opera.
Diseño óptimo:
La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de
intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es
recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza
de muchos contenedores de gas. El cuerpo de la caldera es cilíndrico, con dos tubos de
gran calibre que actúan como cámara de combustión principal. Los humos calientes
pasan desde los dos tubos del horno por la parte trasera de la caldera a través de una
cámara en ladrillo refractario e ingresan a una serie de tubos de pequeño diámetro los
cuales presentan una gran superficie de calor en contacto externo con el agua. Los gases
de combustión salen de la caldera por la parte delantera y un ventilador de tiro inducido
los hace pasar a la chimenea.
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en
contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del
2
El concepto carga se refiere a la cantidad de agua que entra y la cantidad de vapor que sale.

9. 7
combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la
superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les
clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de
agua).
La clave para el diseño de la caldera depende de la presión del vapor dentro de la caldera
ya que las presiones que se deben manejar son potencialmente de alto peligro esto en
parte también se debe al uso de temperaturas extremadamente altas.
Descripción matemática:
Para graficar un cilindro en el espacio necesitamos solo dos variables, es decir:
Y posteriormente se alarga paralelamente al eje que no aparece en la ecuación, como se
observa en la figura:
Ilustración 6
Cuarto de caldera ideal, en el cual se encuentran instalados sistemas
y accesorios complementarios que permitirán una eficiente generación
de vapor.
Fuente: http://www.la-llave.com/ec/news8/img/cuarto-de-calderas.png

10. 8
Las trazas que se obtienen de esta superficie son círculos (elipses) de manera horizontal
y pares de líneas rectas de manera vertical.
Por ejemplo, si la función es
Las trazas verticales que se observan son las siguientes:
Y las trazas horizontales:

11. 9
Ejemplos de cilindros circulares:

12. 10

13. 11
CONCLUSIÓN:
El cálculo, así como otros campos de estudio tienen una gran variedad de aplicaciones en
la vida diaria, debido a que, al ser ramas de la ciencia, su principal objetivo es satisfacer
las necesidades del ser humano. En este documento en particular, se hace énfasis en la
manera en que podemos aplicar conocimientos de cálculo en la industria para la
fabricación de maquinaria y equipo. Una de estas aplicaciones en la industria, es el uso
de superficies en el plano tridimensional, tal como es el caso del cilindro, para la
fabricación de máquinas industriales, encontrando que la caldera hace uso de una de
ellas.
La caldera tiene forma de un cilindro, ya que se asemeja a un tanque, debido al manejo
de altas presiones y temperaturas, su construcción requiere tanto de conocimientos en
cálculo como en fisicoquímica, por lo que, al fusionar estas dos áreas de conocimiento, el
diseño y construcción de la caldera, permitirá a la industria la generación de vapor, el cual
tiene una variedad de aplicaciones en la industria, el caso más relevante de todos, es que
el vapor generado por la caldera permite la generación de electricidad.

14. 12
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
 Baltazar, L., Cabello, V. Nuevas Tecnologías en auditoria en sistemas de vapor de
una refinería de petróleo (calderas) (tesis de grado). Instituto Politécnico Nacional,
CDMX.
 Bohórquez, H. (2011). Equipos para calefacción: Calderas. Universidad Nacional
Abierta y a Distancia (UNAD). Recuperado de:
http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211618/EXELARNING/leccion_34_caldera
s.html
 Trouble Less Valves (TLV). (2016). Aplicaciones principales para el Vapor de
Agua. TLV Sitio web: http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-
applications-for-steam.html
 Uceda, J. (2013). Calderas. En Guía básica de calderas industriales eficientes (71-
95). Madrid, España. Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid.
Recuperado de: https://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-basica-
calderas-industriales-eficientes-fenercom-2013.pdf
 D. Marcano y L. Cortes, (1982). “Química Orgánica”. Ed. Reverte. Barcelona,
España.
 Wikipedia. (2013). Caldera (máquina). Wikipedia.org. Sitio web:
https://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(máquina)
 Absorsistem. (2004). Descripción de Calderas y Generadores de vapor.
Absorsistem, S. L. Sitio web:
http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/descripción-de-calderas-y-
generadores-de-vapor
 Abarca, P. (2011). Descripción de Calderas y Generadores de vapor. Asociación
Chilena de Seguridad (ACHS). Sitio web:
http://www.achs.cl/portal/trabajadores/Capacitacion/CentrodeFichas/Documents/de
scripcion-de-caldera-y-generadores-de-vapor.pdf