Investigación sobre calderas

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Tipos de Calderas industriales

Investigación sobre calderas

  1. 1. Investigación sobre Calderas: Partes, Funcionamiento y Como se Enciende un Caldero Nombre: Denis Fabricio Viera Rey Email: dviera@espol.edu.ec Carrera: Ingeniería Química Fecha entrega: 13/06/2012El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente enel calentamiento de procesos, en la generación de potencia y en la calefacción deespacios.El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio,inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control; cuando se condensa, da uncalor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; puede usarse paragenerar potencia y proporcionar calefacción.El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vaporhúmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado.En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas másrepresentativas en el medio industrial entre las que se encuentran las pirotubulares ylas acuotubulares. También se describen los principales sistemas de control quedeben tener los generadores de vapor.1 CALDERAUna caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce vapor a unapresión mayor que la atmosférica. A la máquina le entra una energía (aire–combustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentemente agua)efectuándose el proceso de evaporación, cuyo mecanismo de transferencia de calordepende del tipo de Caldera.Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principalesCÁMARA DE AGUA:Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija ensu fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tuboso conductos de humo superiores. Según la razón que existe entre la capacidad de lacámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de granvolumen, mediano y pequeño volumen de agua.
  2. 2. CÁMARA DE VAPOR:Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe serseparado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor,tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también ladistancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.3 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERASPor la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, comocalderas de tubos de humo (pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).3.1 CALDERAS PIROTUBULARESEn esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubosy el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones deoperación de 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 1.Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño, mayor flexibilidadde operación, menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, sonpequeñas y eficientes.Desventajas: Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento, no sedeben usar para altas presiones.Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)
  3. 3. Las calderas pirotubulares o de depósito como también se llaman, generalmente sonde forma cilíndrica y tienen una cámara de combustión con una relación mínima entrela longitud y el diámetro de 3:1 (SAXON, 2006).Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento deprocesos y en aplicaciones industriales y comerciales. (KOHAN, 2000)Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples pasos.3.1.1 Calderas pirotubulares de un paso. Estas calderas tienen un conjunto detubos de humo que las atraviesan desde el principio hasta el final, con losquemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden sercolocados en la cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadoresvan montados dentro de cada tubo y normalmente en las calderas horizontales el tiroes forzado y en las verticales el tiro es natural.Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen una producción devapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las calderas verticales son comúnmente usadaspara tintorería y en la fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006). Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de (SAXON, 2006)3.1.2 Calderas pirotubulares de múltiples pasos. Esta caldera usualmente tieneuna sola cámara para la combustión principal, con un conjunto de tubos por donde 5pasan los gases calientes, tanto por el frente como por la parte de atrás de esta. Unode los primeros diseños fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3;esta fue originalmente diseñada para quemadores con carbón, pero luego fueconvertida a gas natural. El rendimiento térmico de este tipo de caldera generalmentees cerca de 73–77%.
  4. 4. Figura 3. Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006)La caldera moderna de cámara empaquetada generalmente es de tres pasos en lacaldera húmeda, figura 4, sino hay problemas de fugas de aire podría funcionar coneficiencias térmicas de 78–83%.El combustible puede ser petróleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta31800 kg/h con presiones de hasta 18 bares. Las Calderas de más de 16820 kg/h desalida generalmente tienen dos tubos de combustión (SAXON, 2006).
  5. 5. Figura 4. Caldera de tres pasos. Adaptado de (SAXON, 2006)3.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARESEn este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubosy el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 5.Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más.Desventajas: Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua degran pureza.Figura 5. Caldera acuotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)
  6. 6. Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la generación de energía en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor de los bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de formarectangular y los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cámara principal de combustión. Los productos son por lo general por encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las calderas trabajan con carbón pulverizado o petróleo. Algunas han sido convertidas a gas, también pueden trabajar con dos quemadores de combustible.3.3 CALDERAS DE TIPO SERPENTÍN Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto de serpentines. La llama del quemador va por el interior y centro del serpentín, los productos pasan alrededor de las capas externas de los serpentines, figura 6. Estas calderas se denominan a veces generadores de vapor o vaporizadores de vapor. Figura 6. Caldera de serpentín. Adaptado de (KOHAN, 2000)
  7. 7. Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas cantidades de vaporrápidamente, en menos de 5 minutos. Se debe tener cuidado con el tratamiento de lasaguas, por lo general es a base de sodio en combinación con aditivos químicos estodo lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas dealimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta aproximadamente9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de gas o de petróleo.3.4 OTRAS CALDERASAdemás de las calderas descritas, también existen las calderas de gas que se utilizanpara proporcionar vapor húmedo para panadería, hornos de pastelería. Estas calderasson pequeñas y las presiones de trabajo son del orden de los 2 bares, figura 7.(SAXON, 2006). Figura 7. Caldera de vapor pequeña. Adaptado de (SAXON, 2006)
  8. 8. 4. EFICIENCIA DE LAS CALDERASLa eficiencia de las calderas está determinada por la siguiente ecuación:En la tabla 1 se hace un comparativo de las eficiencias más representativas deacuerdo al tipo de caldera, la capacidad y el combustible usado.Tabla1. Eficiencia típica de calderas según PCS. Adaptado de (CONAE, 2007)5. ANALISIS DE FALLAS EN LAS CALDERASEn las calderas es muy importante la detección de fallas, porque eso permite evitar yprevenir accidentes por causa de éstas. El análisis de fallas permite detectar a tiempoproblemas en las calderas, tales como: defectos de diseño, fabricación o ensamble depiezas; errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y serviciode los equipos; malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante laoperación; por último ayuda a la selección y establecimiento de métodos nodestructivos como procedimientos de inspección de las diferentes partes de lacaldera.A continuación se mencionan las causas más comunes de fallas en las calderas, asícomo los daños más frecuentes.Tabla 2. Causas de fallas en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)CAUSAS PIROTUBULARES (% ) ACUATUBULARES (% )Corrosión interna en los tubos 1.0 6.5Corrosión externa en los tubos 3.0 3.5Limpieza inadecuada 5.1 7.0Materiales defectuosos 0.4 1.8Fabricación defectuosa 0.6 4.5Falta de normas de 21.0 23.0mantenimientoFallas en la ejecución de 28.0 30.0mantenimientoMala graduación del encendido 2.0 4.0Mal control del nivel de agua 7.0 12.0Inadecuado tratamiento de 26.5 7.0
  9. 9. aguaExpansiones y contracciones 0.4 0.6Fallas en obras civiles 5.0 0.1Tabla 3. Daños más frecuentes en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)CAUSAS PIROTUBULARES (% ) ACUATUBULARES (% )Refractarios del hogar 6.2 0.3Refractarios del quemador 12.3 9.0Refractarios del cuerpo 3.0 6.0Cuerpo de la caldera 4.0 1.6Tubería de fuego 66.4 -------Tubería de agua ------- 22.0Pared tubos de agua ------- 6.0Domo superior ------- 0.5Domo inferior ------- 5.0Sobrecalentador ------- 14.7Tiro inducido tiro forzado 1.5/--- 12.0/16.0Chimenea 0.2 5.0Otros 6.4 1.96. NORMAS DE DISEÑOLa American Society of the Metal and Electricity (ASME) comenzó a crear códigospara utilizar en el diseño y control de los recipientes que trabajan a presión.La ASME VIII Div. 1, es la parte encargada de diseño, tiene distintas partes quecomprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas, conexiones, etc.Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivelmundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter) y la IVAespañola UNE 9-300.Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equipos este certificadaen cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante usa alguna de estas normaspara la fabricación y montaje. (COMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A,2002).7. CONTROLESLos controles buscan garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones yrequerimientos especificados. En las calderas pequeñas; igual que en las calderasgrandes se disponen de sistemas y aparatos que permiten controlar la presión devapor, el nivel del agua, flujo de vapor, la presencia de llama, el flujo de combustible, yel flujo de aire.En la Figura 8 se muestran los principales lazos de control de una caldera.
  10. 10. Figura 8. Sistemas de control de una caldera. Adaptado de (SAXON, 2006)Válvula principal de control de gas: permite aislar los dispositivos de control de gaspara facilitar las rutinas de reparación y mantenimiento.Gobernador de presión de gas: Para garantizar una presión constante del gas deentrada.Presostato: Es un suiche de acción inversa accionado por la presión de vapor. VerFigura 9.
  11. 11. Figura 9. Presostato de acción inversa. Adaptado de (SAXON, 2006)El principio de funcionamiento del presostato se basa en el balance de fuerzas entrela ocasionada por la presión de un fluido y la fuerza ejercida por un fuelle y un sistemade resortes. Cuando la presión de vapor alcanza el valor ajustado; la válvula delpresostato cierra el paso de gas dejando pasar solo una pequeña cantidad suficientepara mantener la llama. De igual forma; cuando la presión de vapor cae; entonces seda nuevamente paso al flujo de gas por medio de la válvula del presostato.Corte por bajo nivel de agua y alarma: El nivel de agua es controladoautomáticamente por medio de un flotador el cual tiene también control sobre unaválvula de gas. El suiche de mercurio acoplado al flotador puede accionar una bombade agua, activar una alarma sonora y abrir o cerrar una válvula de gas. Laalimentación de agua a la caldera también puede hacerse en forma manual o pormedio de un inyector. En la figura 10 se muestra un tipo de control por flotador. Enesta se observa como una combinación de fuerzas entre el brazo del flotador y unfuelle permite controlar el motor de la bomba y también operar la válvula de gas pormedio del presostato. El suiche de mercurio se inclina y acciona un contacto antes deque el agua llegue a su nivel más bajo y así acciona una alarma. Por otro lado elsuiche de la bomba debe abrirse justo antes de que el agua llegue al nivel más alto.
  12. 12. Figura 10. Control de alimentación de agua. Adaptado de (SAXON, 2006)Por razones de seguridad suele utilizarse un segundo sistema de alarma y corte degas. Este último no dispone del suiche de mercurio de alta.Para el control de nivel de agua también se puede emplear un sistema de electrodosque cierran un circuito por medio del agua. Un sistema de un solo electrodo esmostrado en la figura 11. Si el nivel de agua; cae por debajo del electrodo; el circuitose abre y la válvula solenoide se cierra para así activar una alarma.Dispositivo de protección de llama: Consiste de un suiche termoeléctrico de falla dellama que se muestra en la figura 11. El suiche puede ser accionado manualmente pormedio de un botón de reset. Dispone de una termocupla que cuando es calentada porla llama; energiza un electroimán el cual mantiene cerrado el suiche. Cuando la llamadesaparece el suiche se abre debido a que el electroimán se desenergiza. Como estedispositivo esta en serie con la válvula solenoide, esta impide el paso de gas.Válvula de corte por baja presión: En calderas que no disponen de un controleléctrico se suele utilizar una válvula de corte por baja presión justo antes de laválvula principal de gas. El corte puede realizarse por una línea que puede seroperada por el control de nivel bajo de agua.
  13. 13. Figura 11. Controles eléctricos con electrodo. Adaptado de (SAXON, 2006)Válvula reductora del quemador con enclavamiento: En calderas con igniciónmanual es necesario impedir que pase el gas si este no va a ser quemado. Estopuede lograrse colocando una válvula piloto de enclavamiento y una válvula principalde gas. Así la válvula piloto debe ser activada antes que la válvula principal. Tambiénse puede usar una válvula de palanca giratoria del quemador con una válvulareductora, ver figura 12.Figura 12. Válvula reductora del quemador con enclavamiento. Adaptado de(SAXON, 2006)
  14. 14. Válvula principal de vapor: Es una válvula de paso colocada directamente cerca a laparte superior de la caldera.Válvula de seguridad: Válvula cerrada cargada con un resorte, figura 13. Se colocaen la parte posterior de la caldera cerca al tope. Está protegida de interferencia pormedio de un dispositivo de seguridad.Figura 13. Válvula de seguridad cargada con resorte. Adaptado de (SAXON,2006)Manómetro: Consiste de un medidor de presión tipo Bourdon acompañado de unsifón y una válvula.Medidor de agua: Se trata de un tubo de vidrio sostenido entre la base y la cima de lacaldera por prensaestopas, figura 14. Dispone de válvula de vapor, válvula de agua yuna válvula de drenaje.Inyector: Es un dispositivo que alimenta el agua hacia la caldera por medio de lasucción creada cuando el vapor pasa a través de una boquilla. El sistema se pone enoperación abriendo la válvula cheque de alimentación, la válvula de succión y luego laválvula del inyector de vapor en forma rápida y completa. Luego de que el inyector secoloca en funcionamiento este puede ser controlado solamente por la válvula devapor, ver figura 15.
  15. 15. Figura 14. Medidor de nivel de agua. Adaptado de (SAXON, 2006)
  16. 16. Figura 15. Inyector. Adaptado de (SAXON, 2006)También se puede utilizar una motobomba como “stand-by”.Control automático de alimentación: Este puede formar parte del control de bajonivel del que se ha hablado.Bomba de alimentación: Puede ser operada manualmente o por medio de un controleléctrico tal como se muestra en la figura 16. En este último caso el control de nivel deagua se debe ajustar para mantener el nivel en la mitad del medidor de vidrio.
  17. 17. Figura 16. Suministro de agua de la caldera. Adaptado de (SAXON, 2006)8. INSTALACIÓNSe debe consultar el manual de instalación de la caldera antes de hacer algún trabajo.La caldera debe ser montada en un espacio nivelado y firme. Se debe dejar unespacio adecuado para la manipulación cómoda de todos los equipos auxiliares.La chimenea debe estar fijada con un diversor de tiro. El diversor de tiro facilita lacirculación de gases dentro de la cámara de combustión al establecer un equilibrio defuerzas entre los humos calientes y el aire, facilitando así la circulación de los humos yevitando contrapresiones ocasionadas por corrientes de viento contrarias al flujo delos gases (Ministery of EconomicDevelopment of New Zealand, 2007)9. INSPECCIONESPeriódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema de drenaje,presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo de gas, pérdidas decorrientes de aire en la chimenea, operación del control de llama y válvula de cortepor baja presión. Además se debe realizar un mantenimiento rutinario que incluya lapresión de trabajo de la caldera y el sistema que mantiene el nivel del agua.La válvula de seguridad también debe ser chequeada frecuentemente para asegurarque la válvula pueda operar libremente y no está atascada.
  18. 18. 10. QUEMADORES Y SUMINISTRO DE AIRE DE COMBUSTIONLos quemadores se seleccionan según el rango de presión de operación, tipo decombustible, eficiencia. Además se deben tener en cuenta las normas deconstrucción.Entre los principales tipos de quemadores encontramos: quemadores sin mezclaprevia o llama de difusión, quemadores de combustóleo, quemadores a presión tipoJET, quemadores de copa rotativa, quemadores para gas (baja y alta presión) yquemadores tipo dual.Los quemadores deben funcionar con un exceso de aire que depende del combustibleempleado. Para el carbón se debe emplear un exceso de aire que oscila entre el 20%y el 40%, los derivados del petróleo entre un 15% y 25% y el gas entre el 5% y el15%.11. PANORAMA DE LOS GENERADORES DE VAPOR EN EL MEDIO LOCALUno de los aspectos que más impacta en la utilización de las calderas en el Valle delAburrá, es el combustible que emplean. Antes del año 2001 el crudo de castilla y elcarbón tenían gran participación en la canasta energética. Con la masificación del gasnatural y las regulaciones ambientales; el crudo de castilla fue gradualmentedesplazado.No obstante; aún se utiliza el carbón por su bajo costo, a pesar del impacto ambientalque implica su uso y los mayores costos asociados a su utilización. Otroscombustibles que se pueden utilizar en las calderas son el ACPM, Fuel Oíl, DieselGLP y biomasa principalmente.Otro aspecto que no se tiene mucho en cuenta en las calderas del medio, es larealización de análisis de los gases de combustión dentro de las tareas demantenimiento preventivo y normas establecidas (Presidencia de la república 1989),lo que no permite conocer a ciencia cierta la eficiencia real de la caldera, lo queimplica en muchos casos el desperdicio de la energía generada por estas y el impactonegativo al medio ambiente.El uso de las calderas pirotubulares para la generación de vapor en los diferentessectores de la industria y de la salud es cada vez mayor, es el caso de los hospitalesdel medio, como el Hospital Pablo Tobón Uribe que utiliza el vapor en la lavanderíapara planchar y desinfectar los tendidos de las camas, las piyamas y las blusas de losmédicos, en la cocina para la preparación de los alimentos y en las autoclaves para ladesinfección de instrumental quirúrgico y otra clase de ropa.La eficiencia de la caldera debe ser determinada frecuentemente. Esta se ve afectadapor factores como: diseño de la caldera, pérdidas internas, transferencia de calor através de las paredes de la caldera, pérdidas de calor en los gases de escape y en lascenizas, equipos auxiliares recuperadores de calor, controlabilidad de las condicionesvariables y tipo y características del combustible utilizado (PALACIO,1990). Laeficiencia también se ve afectada por factores de altitud (Casas, 2004).12. USO EFICIENTE DE LA ENERGÍATal como ocurre en el resto de máquinas térmicas; también se puede adelantarprogramas de gestión energética en las calderas de vapor. Las principales accionesestán encaminadas al aprovechamiento máximo del calor transferido por el procesode combustión. En este aspecto toma importancia la recuperación de calor sensible
  19. 19. de los productos de combustión, para lo cual se dispone de los siguientes equiposauxiliares de recuperación de calor:Precalentador de aire: Trabaja con los restos de vapor que entra al condensador y letransfiere calor al aire tomado de la atsmofera antes de llevarlo a la caldera. Seconsigue así eliminar parte de la humedad contenida en el aire al llevarlo de de 90 °Fa 120 °F.Paredes de agua: aprovecha la radiación de los gases de la caldera y la conveccióncon las paredes.Sobrecalentador: Consiste en el aumento de la temperatura del vapor por medio dela llama directa.Economizador: consiste en un intercambiador de calor que actúa comoprecalentador de agua de alimentación por medio de los productos de la combustión.Calentador de aire: calentamiento del aire de combustión por medio de los productosde la combustión.13. CONCLUSIONESEl vapor es muy usado en el sector industrial, comercial y de salud, especialmentepara el calentamiento de procesos, en la generación de potencia, generación deenergía, en la calefacción de espacios y para la esterilización de instrumentalquirúrgico.Las calderas se clasifican principalmente en dos clases: pirotubulares, cuando loshumos calientes circulan por tubos y el agua se encuentra alrededor de estos yacuotubulares, cuando el agua circula por tubos y los humos calientes están alrededorde estos.Las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de procesos yen aplicaciones industriales y comerciales. Manejan presiones de operación de 0-20bares (0-300 PSIG)Las calderas acuotubulares son utilizadas para la generación de energía en laindustria, son de mayor tamaño, peso y costo que las pirotubulares. Manejan altaspresiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG).Las calderas tanto pequeñas como grandes deben poseer sistemas y aparatos quepermiten controlar la presión de vapor, el nivel del agua, la presencia de llama, el flujode combustible, y el flujo de aire, para así garantizar el funcionamiento de la calderabajo las condiciones de seguridad y requerimientos especificados.Periódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema de drenaje,presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo de gas, pérdidas decorrientes de aire en la chimenea, operación del control de llama y válvula de cortepor baja presión; además para garantizar el funcionamiento optimo de la caldera yevitar explosiones y daños por falta de agua y sobrepresiones en el sistema, se deberealizar un mantenimiento rutinario que incluya la presión de trabajo de la caldera y elsistema que mantiene el nivel del agua.14. BIBLIOGRAFIACOMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A. (2002). Calderas. Medellín:Compañía Suramericana de Seguros s.a. 13.
  20. 20. MINISTERY OF ECONOMIC DEVELOPMENT, NEW ZEALAND. (agosto 20 de 2002).of the industry publications, Natural Draught Flueing Guide.http://www.energysafety.govt.nz).

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