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Cátedra: INSTALACIONES TERMOMECANICAS
CALDERAS
Definición: La caldera es un equipo que a partir de un combustible, calienta o calienta y vaporiza un fluido.
El fluido que evoluciona en una caldera generalmente es agua, sin embargo se suelen utilizar otro tipo de fluidos, como por ejemplo aceites, que se utilizarán en un determinado proceso.
En caso de utilizar la caldera agua en su ciclo, si solo se la calienta, estarnos en presencia de una caldera de agua.
Si se la calienta y vaporiza estaremos en presencia de una caldera de vapor.
En todos los casos, el fluido generado se puede utilizar para procesos industriales o para calefacción.
Si el fluido utilizado por la caldera es de agua, esta se puede utilizar para un proceso industrial, para calefacción o para uso sanitario.
TIPOS DE CALDERA
La gran división que existe en los tipos de caldera son Acuotubulares, y Humo tubulares.
Como su nombre lo indica, en las acuotubulares el fluido circula por dentro de los tubos, mientras que los gases de la combustión por el exterior de estos.
En las humotubulares, los gases de combustión circulan por el interior de los tubos, mientras que el fluido se encuentra en el exterior, rodeando los tubos.
CALDERAS ACUOTUBULARES
Como ya se adelantó, en este tipo de caldera el calor de los gases de combustión circula por el por el exterior de los tubos, mientras que el agua circula por el interior de los tubos.
Este tipo de caldera es más segura, ya que no pueden explotar por razones termodinámicas. Esto se debe a que en caso que un tubo se perfore, el agua o
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el vapor, según en el sector que suceda el desperfecto, pasara al hogar y se irá por el tiraje, solo perdiendo rendimiento la caldera, pero no pudiendo explotar.
Si el lugar donde el caño se perforo es uno por donde circula agua, esto es más perjudicial ya que el agua tiene una densidad muy superior que si fuera vapor, por lo cual se perderá una masa muy superior.
Este tipo de caldera se usan normalmente para presiones altas, y de producciones de vapor, por lo cual son aptas, y se usan en generación eléctrica.
También fueron utilizadas en propulsión marina para grandes buques como acorazados o portaaviones, especialmente a mediados del siglo XX.
Para igual potencia, por tener menor volumen de agua que las calderas humotubulares, poseen menor inercia térmica, en consecuencia entran en régimen más pronto, sin embargo, las calderas acuotubulares utilizadas en generación eléctrica, dada la gran potencia que poseen, tienen un periodo muy grande para poder entrar en servicio.
Combustible utilizado
Los combustibles utilizados por este tipo de caldera son:
Gas natural Fuel oíl Carbón Duales
El gas natural es el más limpio y que produce menos polución.
En caso de utilizar Fuel oíl, como este combustible posee mucha viscosidad, es necesario calentarlo para movilizarlo dentro de las cañerías.
Si se utiliza carbón, este debe estar finamente pulverizado al entrar al hogar.
Las Calderas duales, pueden quemar dos o tres de estos combustibles, pero siempre uno solo a la vez. Cada combustible tendrá su propio quemador.
Configuración de Caldera Acuotubular
En general las calderas acuotubulares poseen un domo inferior y otro superior según el esquema de la figura 1. Ambos domos están unidos por cañerías las cuales son envueltas por los gases calientes de la combustión.
En la figura 1, por las cañerías de la derecha bajara el agua desde el domo superior al domo inferior y por el de la izquierda subirá el vapor en forma
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inversa. Esto sucede por la diferencia de densidad al ser calentados los conductos izquierdos por los gases, generándose en ellos el vapor.
Figura 1
El calor cedido por los gases se transfiere al agua de la caldera por conducción y convección.
Diagrama T – S
Para comprender el ciclo que realiza el vapor dentro de cualquier caldera, es necesario conocer el diagrama temperatura – entropía del vapor, el cual se adjunta en la figura 2.
L
L + V V
Pto.Crítico
P = cte.
h=cte
P=ct
ev=ct
e
v=cte
x=0,8x=0,
1
T
S
1
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Figura 2
Agua
Vapor
Vapor
sobrecalentado
Domo
Inferior
Domo
Superior
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Dentro de la campana coexistirá el fluido en estado de vapor y líquido, hacia la izquierda se
tiene mayor porcentaje de líquido y menor de vapor, mientras que hacia la derecho mayor
porcentaje de vapor y menor de líquido. Esto lo marca las líneas de título.
El título se define como:
En la línea 1‐3 de la figura 2, el tramo 1‐2 representa la cantidad de vapor y el tramo 2‐3 la
cantidad de líquido que existe en el estado (2), al cual le corresponde en el ejemplo un título:
X = 0,8
En la figura anterior se han marcado las líneas de entalpia, presión, volumen y título constante.
Como puede observarse, las líneas de presión constante se mantienen horizontales dentro de
la campana.
En la figura 3, se puede apreciar el dibujo de una caldera acuotubular. En el mismo se observa
el domo superior, el domo inferior y los conductos que los unen. También, mediante el corte
de una sección, se puede apreciar el hogar de la caldera.
Figura 3
En la caldera acuotubular de la figura 1, se extrae del domo superior vapor húmedo, o sea como por ejemplo en el estado 3 del gráfico 2.
Este tipo de vapor no es apto para uso en turbinas como las utilizadas en generación eléctrica, dado que las pequeñas gotitas de agua que se pueden condensar antes de entrar a la turbina, chocan con las paletas de ésta, produciéndole una fuerte erosión.
En el caso de usar el vapor para mover turbinas, se debe sobrecalentar el vapor, esto se realiza haciendo pasar nuevamente el vapor húmedo que sale del domo superior por otro intercambiador de calor que está en contacto con los gases calientes de la combustión. En la figura 2 se estaría en la zona marcada como vapor sobrecalentado.
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En el esquema de la figura 4, se ha dibujado una caldera acuotubular. El vapor húmedo que sale del domo superior, se lo hace pasar por otro intercambiador de calor (sobrecalentador), para levantar su temperatura y llevar a éste vapor a la zona de vapor sobrecalentado del diagrama de la figura 2.
Vapor sobrecalentado
Figura 4
En la figura 5 se puede apreciar el esquema algo más completo de una caldera acuotubular con un sobrecalentador.
Figura 5
En la figura 6 y 7 se puede apreciar una caldera acuaotubular de una central termoeléctrica. Esta caldera abastece una máquina que genera una potencia de 150 MWatts.
Sobrecalentador
Chimenea Vapor saturado
Quemadores
Domo de vapor Sobrecalentador
Convección
Bafles
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Figura 6 Figura 7
La figura 6 es un corte longitudinal. Con (1) está marcado el hogar, con (2) los quemadores, (4) y (5) corresponden al sobrecalentador. Puede observarse que los gases de la combustión suben hasta la parte superior de la caldera y luego bajan, hasta ser extraídos por la derecha del dibujo.
En la figura 7 se observa una fotografía del hogar de la misma caldera. En ésta se puede apreciar los quemadores y los caños que envuelven al hogar.
CALDERAS HUMOTUBULARES
Como ya se adelanto, en este tipo de calderas, el calor se encuentra en el interior de los tubos por efectos de los gases de la combustión, y el agua en el exterior de los tubos.
Son utilizadas para presiones máximas de 20 bar y consumos hasta 30 T/h. Son económicas, de alto rendimiento y fácil mantenimiento.
No son aptas para atender turbinas, ya que el vapor que producen es húmedo, por lo cual, como ya se dijo anteriormente, erosionaría los álabes de las turbinas.
Para igual potencia, posee mayor volúmen de agua que las calderas acuotubulares, por lo que son de alta inércia térmica, ya que tienen que calentar mayor cantidad de agua.
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En la figura 8 se puede ver un corte longitudinal de una caldera humotubular de un paso en el hogar y dos en los tubos. En la figura superior se trata de una caldera de vapor, mientras que la figura inferior de una caldera de agua. En ambos casos se trata de una caldera de fondo húmedo, ya que la pared del fondo del hogar se encuentra bañada por agua en su parte exterior. Puede observarse el circuito que siguen los humos por el hogar y luego por los tubos.
Figura 8
Calderas de fondo Seco / Húmedo
Figura 9
Vapor a 150ºC
1º paso (hogar)1600
2º paso (tubos)
3º paso (tubos)300ºC
200ºC
Quemador
Fondo seco: el cambio de dirección de los gases se produce en una cámara fuera del blindaje de la caldera.
Fondo húmedo: la cámara de cambio de dirección está en contacto con el agua por lo que se obtiene mayor área de transferencia de calor.
1ª paso (hogar) 1ª paso (hogar)
Agua Agua
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La figura 10 corresponde a una caldera humotubular, en la cual puede observarse a través del corte el hogar y los tubos de humos.
En la parte posterior y superior se encuentra el tiraje o salida de los humos.
En la parte superior se aprecia dos cáncamos para levantarla, en el centro una válvula de servicio para la salida del vapor, y hacia el frente dos válvulas de seguridad.
A la izquierda se aprecia los tubos de nivel en número de dos y sobre ellos el manómetro.
Sobre el lado derecho de la caldera, viéndola de frente, se aprecia el ventilador del quemador, el tablero eléctrico, los controles de nivel y la bomba de alimentación de agua.
Figura 10
La figura 11 corresponde también a una caldera humotubular, en donde a la derecha del esquema se puede leer las referencias de cada elemento que posee el equipo.
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Figura 11
En la figura 12 se puede apreciar la fotografía de una caldera humotubular con todos sus equipos complementarios.
Figura 12
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En ésta fotografía, se puede apreciar en la parte delantera el quemador con su ventilador centrífugo, a la izquierda el tablero de control, a la derecha y en la parte inferior la bomba de alimentación con una válvula anti-retorno en la cañería de impulsión, en la parte delantera inferior la purga de barros, dos presostatos en la parte superior, un manómetro en la parte delantera con su respectiva válvula de servicio para poder realizarle mantenimiento, en la parte superior trasera la válvula de seguridad, a la derecha los elementos de control.
Todas las calderas, para minimizar las pérdidas de calor hacia el exterior, poseen un elemento aislante, el cual suele ser de lana de vidrio. A su vez al aislante hay que darle una protección mecánica, la cual suele ser en una cubierta de chapa galvanizada remachada entre sí, o sea que cuando vemos una caldera desde el exterior, no vemos la superficie resistente, sino las chapas que protegen el aislante.
En la parte superior de la figura 13 se pueden apreciar dos calderas, con todos sus elementos de protección y servicio con el aislante colocado y las chapas de protección de éste.
Pueden observarse también las válvulas de seguridad en número de dos en su parte posterior, y el presóstato y manómetro en la parte anterior, todos estos elementos en la parte superior de la caldera.
En la parte inferior de la fotografía 13 se observa el casco o envuelta de la caldera
sin ningún tipo de aislante, sí con sus patas y cáncamos de levante.
En la figura 14 y 15 se puede apreciar dos calderas de agua, la primera de tipo horizontal, mientras que la segunda de tipo vertical.
En la caldera denominada de agua, se produce agua a una determinada temperatura, la que puede usarse para uso sanitario, calefacción a para algún proceso industrial.
En la figura 14, se puede apreciar en la parte delantera de la caldera el quemador, cuya alimentación de combustible posee dos electroválvulas por cuestiones de seguridad. En la parte superior, de adelante hacia atrás, se
Figura 13
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puede apreciar la salida del agua caliente, los termostatos, el presostato y por último la válvula de seguridad. A la derecha el tablero de control.
En este caso, tanto el hogar como los tubos de humos se encuentran en sentido horizontal.
Figura 14
La figura 15 corresponde a una caldera de agua de tipo vertical. El hogar se encuentra en su parte inferior, pudiéndose apreciar en el exterior su quemador. En este caso los tubos de humos son verticales.
Figura 15
En las dos calderas anteriores se puede notar la ausencia de los tubos de nivel.
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Utilización de calderas humotubulares en calefacción
Para calefaccionar un edificio a través de una caldera, existen dos posibilidades. 1º) Hacerlo por medio de una caldera de agua. 2º) Realizarlo por medio de una caldera de vapor.
En ambos casos se contara con radiadores que cederán el calor al ambiente a calefaccionar, la diferencia es que en el caso de la utilización de agua, esta cederá calor sensible en el radiador, o sea se enfriara calentando el radiador y a su vez el ambiente.
En el caso del vapor, el fluido llega en ese estado al radiador, condensándose dentro del mismo por lo cual cede a este para calentar el ambiente calor latente.
Si el edificio es muy grande y extendido, y se utiliza agua, esta se ira enfriando desde la caldera hasta el radiador más alejado, en consecuencia se tendrá una calefacción despareja entre un ambiente cercano a la caldera, respecto a otro alejado de esta.
Si en el mismo tipo de edificio se utiliza vapor, si bien éste puede perder algo de temperatura, llegara siempre en estado de vapor a un radiador de un ambiente cercano o alejado de la caldera, cediendo luego al condensarse calor latente, por lo cual en ambos ambientes, cercano o lejano de la caldera, se tendrá una calefacción más pareja.
De lo anterior se deduce que como regla general conviene la utilización de vapor en edificios de grandes dimensiones, especialmente muy extendidos horizontal o verticalmente, mientras que en edificios más pequeños y compactos, es más conveniente la utilización de agua para su calefacción.
Eliminación de gases de combustión
Los gases de combustión se eliminan de la caldera por medio del tiraje, éste puede ser de tres tipos:
Tiro natural
Tiro inducido
Tiro forzado
1º) Tiro natural
Este sistema no posee ningún elemento mecánico en el tiraje. Los humos salen directamente por diferencia de densidad entre los más calientes y livianos del hogar, por lo cual tienden a subir, y los que se encuentran en la última parte de la chimenea.
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2º) Tiro inducido
En este caso se coloca un elemento mecánico, un ventilador en el tiraje, por lo cual la presión en el hogar será menor que la atmosférica.
3º) Tiro forzado
En este caso el forzador se coloca en la entrada de aire del hogar, generalmente formando un conjunto con el quemador. Por lo anterior, la presión en el hogar es superior a la atmosférica. Este es el más utilizado.
En los casos 2º y 3º, antes de proceder a prender el quemador de la caldera, se realiza un barrido del hogar de la caldera. Este tiene por finalidad eliminar algún resto de combustible que puede haber quedado en el hogar.
En caso de utilización de gas natural como combustible, puede ocurrir el incorrecto cierre de algunas de las válvulas solenoides del sistema de alimentación, con lo cual en el hogar habría presencia del combustible.
En caso de gas oil, podría suceder que el inyector gotee, con lo cual quedaría en el piso del hogar una cierta cantidad de combustible. Las fracciones más livianas del mismo se evaporarían, por lo cual en presencia de aire, existiría en el hogar una mezcla explosiva.
Al realizar el barrido del hogar por medio del aire impulsado por el ventilador, se elimina la posibilidad de existencia de estos restos de combustibles, y por lo tanto el de explosión.
Estos barridos del hogar por medio del ventilador, ya están programados en la secuencia de arranque de la caldera, o sea que al encender ésta, su programa de arranque, lo primero que hace es barrer el hogar con aire por espacio de varios minutos.
Construcción calderas humotubulares
Las calderas humotubulares, constan de un casco que puede ser cilíndrico u ovalado, las placas porta-tubo, uno anterior y otro posterior. Sobre estas placas se unen los haces de tubos por los que circulan los humos. El hogar, que es donde se produce la combustión del combustible.
La unión tubo placa porta tubo es generalmente mandrilada.
La construcción de éste tipo de caldera se rige por el código ASME
Luego de soldadas las distintas partes de la caldera, se la somete a un tratamiento térmico de alivio de tensiones.
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Sobre el casco de la caldera se pone un aislante térmico mara minimizar las pérdidas de calor, el cual suele ser lana de vidrio y sobre éste se le coloca una protección mecánica como por ejemplo chapa galvanizada, unida entre sí por remaches.
Por último, la caldera constará de todos los elementos auxiliares para su funcionamiento y de seguridad.
Sistema de vapor
Un sistema típico de vapor atendido por una caldera humotubular se da en la figura 16.
Figura 16
De la caldera sale el vapor que se utiliza en un proceso determinado. El vapor luego va al tanque de alimentación, el cual es alimentado por agua para reponer posibles pérdidas. La bomba de alimentación toma el agua del tanque de alimentación y la introduce en la zona líquida de la caldera.
Equipamiento auxiliar de la caldera
El equipamiento auxiliar se puede dividir en tres partes:
Equipamiento de Funcionamiento Equipamiento de Eficiencia Equipamiento de Seguridad
Purga
Caldera
Vapor
Bomba dealimentación
Tanque de alimentación
Agua de
reposición
Proceso
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Equipamiento de funcionamiento
El equipamiento de funcionamiento consiste en:
Sistema de control de nivel de agua Bomba de agua de alimentación Quemador de combustible Presóstatos Válvulas de corte Manómetros
Control de nivel y alarmas
El control de nivel regula la alimentación de agua a la caldera, esto para que el nivel del agua no baje ni suba de cierta altura, que podría traer consecuencias graves.
Las alarmas de nivel detectan nivel bajo o alto y detienen la caldera.
Tipos de control de nivel
Se utilizan dos tipos de control de nivel, el denominado On/Off, que actúan sobre la bomba de alimentación entre dos niveles preestablecidos, una mínimo y otro máximo, y el control denominado modulante, el cual es controlado por una válvula modulante, de accionamiento eléctrica o neumática,, que regula el caudal de entrada a la caldera y se encuentra en el circuito de alimentación de agua.
Sistema de control On/Off
Este tipo de control, como su nombre lo indica funciona conectando la bomba cuando el nivel en la caldera es bajo y desactivándola cuando el nivel es alto.
En el nivel bajo, nunca se debe permitir que queden en descubierto los tubos superiores de la caldera, dejando un cierto margen de seguridad.
El nivel alto de desconexión de la bomba debe ser tal que no permita succionar líquido por la salida del vapor ubicada en la parte superior de la caldera.
Figura 17
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En la figura 17 puede apreciarse un controlador de tipo magnético. La conexión superior estará unida a la cámara de vapor de la caldera, mientras que la conexión inferior a la parte inferior de la caldera. El flotante marcara por vasos comunicantes el nivel de agua dentro de la caldera.
En la parte superior se encuentran los dos interruptores que conectaran o desconectan el contactor de potencia de la bomba de alimentación.
Control electrónico de nivel y alarma
En la figura 18 se puede ver un esquema del principio de funcionamiento de este tipo de control, el cual utiliza la conductividad del agua de la caldera para obtener la señal que una vez amplificada conectara o no el contactor de arranque del motor de la bomba de alimentación.
Figura 18
En la figura 19 se aprecia la ubicación y el sistema de conexión de un control On/Off por conductividad.
En este caso la sonda posee tres varillas. La superior actuara desconectando la bomba por nivel alto. La central conectando la bomba por nivel bajo, y la inferior será la alarma que parara la caldera por bajo nivel de agua.
La señal proveniente de la sonda es debidamente amplificada por un controlador que actuara sobre la bobina del contactor de potencia que alimenta de energía eléctrica la bomba de alimentación.
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Figura 19
Ventajas del control On/Off
Simple Económico Adecuado para calderas en espera
Desventajas del control On/Off
No adecuado para grandes calderas Cada caldera necesita su propia bomba El agua fría reduce la presión en la caldera, aumentando la
alimentación en el quemador. Esto causa:
Desgaste en el quemador / bomba de alimentación Reduce la eficiencia Varía el caudal de vapor generado Ocasiona arrastre de agua disminuyendo la calidad del vapor Nivel de agua inestable y posible bloqueo de la caldera
Control modulante
A diferencia del control On/Off donde la alimentación de agua de la caldera, proveniente de la bomba es nula o el máximo, en el control modulante el caudal varía continuamente en función de los requerimientos del consumo de vapor.
En este tipo de control el caudal nunca vale cero. La bomba anda en forma continua y el caudal es regulado por una válvula motorizada que abre o cierra dicha válvula en función de los requerimientos de la caldera.
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En la figura 20 se puede apreciar uno de los sistemas de control de la válvula motorizada, el cual utiliza la variación e capacidad entre dos placas semi sumergidas en el agua.
La capacidad de las placas variará en función de que tan sumergidas estén las placas en el agua de la caldera, esto lo tomara como señal para en última instancia accionar la válvula motorizada que aumenta o disminuye el caudal de agua de entrada a la caldera. A la derecha puede observarse un gráfico de la capacidad en función de la profundidad de inmersión de las placas.
Figura 20
Figura 21
En la figura 21 se puede apreciar cómo opera el sistema de sonda capacitiva, variando la corriente en función de la altura que está cubierta la varilla sensora. La corriente que circula, se utilizara, debidamente amplificada, para accionar abriendo o cerrando la válvula motorizada.
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En la figura 22 se puede observar todo el sistema completo, lo cual incluye la sonda capacitiva, el controlador, la válvula motorizada y la bomba de alimentación.
Figura 22
Ventajas del Control de Nivel Modulante
Presión y caudal de vapor estable Mayor eficiencia en la operación del quemador Menor fatiga térmica sobre la pared de la caldera Menor arrastre Puede usar una estación central de bombeo para varias calderas Menor desgaste de la bomba / quemador
Desventajas del Control de Nivel Modulante
Más costoso La bomba debe funcionar continuamente Menos apropiado para operación en calderas en espera Posible mayor consumo de electricidad
Quemadores
Es el elemento que mezcla el combustible con el aire para que se inicie la combustión en el hogar de la caldera. En caso de ser un combustible líquido, deberá pulverizarlo lo más finamente posible. En la figura 23 se puede observar una fotografía de un quemador con sus distintos componentes,
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mientras que en la figura 24 el corte transversal de uno de esta parte de la caldera.
Figura 23 Figura 24
Entre los componentes principales de todo quemador, se encuentra un ventilador, el cual es el encargado de proveer el aire necesario para la combustión.
Antes de prender el quemador, siempre es necesario realizar un barrido del hogar con aire fresco proporcionado con el ventilador. Esto lo hace el ventilador del quemador, generalmente en forma automática comandado por el programa de arranque de la caldera.
El objetivo que tiene este barrido, es eliminar del hogar la posible presencia de combustible proveniente de alguna pérdida.
En caso de utilizar gas natural como combustible, puede suceder que alguna válvula solenoide no cierre en forma perfecta, almacenándose éste combustible en el hogar. Cuando se enciende, si no se hiciera el barrido, se provocaría una explosión.
En caso de utilizar combustibles líquidos, como por ejemplo gas oíl, puede suceder que el inyector quede goteando, con lo cual en el fondo del hogar quedará depositado un cierto volumen de combustible. Las fracciones más livianas de éste combustible se vaporizaran, y en presencia de aire formarán una mezcla explosiva que al encender el quemador explotaría. Al realizar el barrido, esto se evita.
Válvula de corte
La válvula de interrupción no se diseña como una válvula para proporcionar más o menos vapor, debe abrirse o cerrarse totalmente. Siempre debe abrirse lentamente para evitar aumentos repentinos de presión aguas abajo y los golpes de ariete.
En la figura 25 se muestra en corte una válvula de éste tipo.
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Figura 25
Manómetro
Este elemento es el encargado de medir la presión dentro de la caldera. El dial debe tener como mínimo 150 mm de diámetro y ser del tipo de tubo de bourdon. Debe tener marcado la presión de trabajo normal y la presión de diseño. Normalmente, se conectan al espacio de vapor de la caldera por un tubo sifón en R que está lleno de vapor condensado para proteger el mecanismo del dial de altas temperaturas.
Figura 26
Equipamiento de eficiencia
Tratamiento del agua de alimentación Control de purgas Recuperación de calor Control de la combustión
Sólidos disueltos en el agua de la caldera
Se denomina sólidos disueltos a distintas sales solubles como por ejemplo los cloruros, que se encuentran disueltos en el agua de la caldera. Estos sólidos disueltos, por estar justamente disueltos en el agua, no se los puede filtrar como si se lo puede hacer con los sólidos en suspensión como barros o arena.
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Estos sólidos disueltos tienen la particularidad que pierden solubilidad al aumentar la temperatura, y como la parte más caliente de la caldera son el hogar y los caños que están en contacto con el agua, ahí es donde precipitaran, creando una capa de incrustaciones comúnmente denominada “sarro”, la cual tiene muy mala conductividad térmica, por lo cual afecta la transmisión de calor de los gases hacia el agua de la caldera.
Control Automático de solidos disueltos totales (SDT): Ventajas
Mantiene el nivel de SDT (Sólidos Disueltos Totales) en la caldera cerca del valor máximo permitido minimizando pérdidas de calor y costos de tratamiento.
Evita altos valores de SDT que causan vapor con arrastre (bajo título), suciedad en válvulas de control y bloqueo de las trampas.
Ayuda a mantener la caldera limpia de incrustaciones
Sistemas de control de purgas
Por las razonas antes expuestas, es necesario mantener bajo control los SDT, esto se logra mediante una purga permanente. Para conocer la cantidad de agua a purgar, es necesario conocer la cantidad de SDT existentes en el agua de la caldera, esto se logra mediante el empleo de sondas como la de la figura 27, que funciona midiendo la conductividad del agua.
Figura 27
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Sistema de control de purgas
En la figura 28 se muestra un esquema del sistema de control de SDT. La sonda mide la cantidad de SDT en el agua de la caldera, esta señal es procesada por el controlador que le da la orden a una válvula de purga motorizada que produce el purgado necesario.
Figura 28
El agua de purga no se tira sin antes aprovechar toda la energía que se le puede quitar para reintroducirla al sistema, mejorando así el rendimiento.
Recuperación de la energía de la purga
Tanque de revaporizado
Al pasar el agua por la válvula de purga pierde presión, por lo cual parte del fluido se vaporizara. Este vapor obviamente no contiene sólidos disueltos, por lo cual es posible su aprovechamiento. La separación de líquido y vapor se realiza en el tanque de revaporizado, el cual se observa en la figura 29.
Figura 29
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En el citado tanque, el agua quedara en la parte inferior y el vapor en la superior. El vapor es conducido al tanque de alimentación, mientras que el agua se desecha. Esto se puede observar en la figura 30.
Figura 30
Un último aprovechamiento del agua de la purga consiste en aprovechar su temperatura para calentar el agua de entrada al tanque de alimentación. El esquema completo se observa en la figura 31.
Figura 31
Cálculo de la cantidad de purga
El volumen de agua a purgar se calcula mediante la siguiente ecuación:
Esta ecuación es válida para cualquier tipo de unidades
Donde: F = SDT (Sólidos Disueltos Totales) agua alimentación (ppm) B = SDT (Sólidos Disueltos Totales) deseados en caldera (ppm) S = Producción de vapor (kg/h) P = Caudal de purga (kg/h)
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Purga de fondo (Lodos)
El agua de alimentación de la caldera siempre arrastra pequeñas partículas de arena y tierra. Estos sólidos en suspensión se van depositando en el fondo de la caldera, pudiendo en caso de no removerlos, obturar el pasaje de agua que se mueve por convección, entre la parte exterior del fondo del hogar y el fondo de la caldera, provocando entonces un recalentamiento de esas zonas. La purga del fondo se realiza por medio de una válvula motorizada que abre en forma periódica comandada por un temporizador, tal cual se ve en la figura 32.
Figura 32
Equipamiento de seguridad
Los equipamientos de seguridad son los siguientes:
Indicadores y alarmas de nivel Válvulas de seguridad Válvulas de retención Presóstatos
Indicadores de nivel Siempre es importante conocer el nivel de agua dentro de la caldera. Esto se logra con los denominados indicadores de nivel que se pueden apreciar en la figura 33. Tal cual muestra la figura citada, consta de un tubo de vidrio con una conexión superior a la zona de vapor y otra inferior a la zona de líquido. Por vasos comunicantes, dentro del tubo de vidrio indicará el nivel existente dentro de la caldera. Es imprescindible que tanto en la parte superior como en la inferior contenga válvulas de servicios, las cuales se cierran para permitir quitar el tubo de vidrio para su limpieza interior, ya que se suelen depositan en esa superficie sólidos disueltos, dificultando la visibilidad.
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Figura 33
Niveles de operación para control del Nivel de Agua y Alarmas
El nivel de agua dentro de la caldera se mantiene por medio de un elemento que sensa su altura. Este elemento consta de distintos puntos. Si el agua sube de su nivel normal, primero para la bomba de alimentación, si sigue subiendo suena la alarma de nivel alto.
En caso que el nivel de agua baje del normal, primero arranca la bomba o abre la válvula de alimentación, según sea el tipo de control de nivel que posea la caldera. Si el nivel sigue bajando, suena la alarma de nivel bajo. Si sigue bajando el nivel de agua, suena la 2º alarma de nivel bajo y para la caldera.
Figura 34
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Válvula de seguridad
Las válvulas de seguridad tienen por objeto ventear a la atmosfera el fluido dentro de la caldera ante un excedente de presión dentro de ella, eliminando así un posible peligro de explosión.
Las válvulas de seguridad deberán dar salida a un caudal de vapor equivalente a la potencia térmica de la caldera. El rango de capacidad de descarga total de las Válvulas de seguridad debe estar dentro del 110% de la presión de diseño de la caldera. El orificio que conecta una válvula de seguridad a una caldera debe ser como mínimo de 20 mm. La tara máxima de la válvula de seguridad será la presión máxima permisible de trabajo de la caldera. Debe haber un margen adecuado entre la presión normal de trabajo de la caldera y la tara de la válvula de seguridad.
En la figura 35 se adjunta un esquema de éste tipo de válvula.
Figura 35
Válvula de retención
La función de la válvula de retención es evitar el retorno del agua de la caldera cuando la bomba está apagada. Se instala en la tubería de agua de alimentación, entre la bomba y la caldera. Mantiene la válvula cerrada cuando no hay presión en la caldera. Previene que la caldera se inunde por la presión estática del tanque de alimentación.
En la figura 36 se puede apreciar una válvula de retención.
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Figura 36
Causas de explosión de una caldera humotubular
Las principales causas por las que puede explotar una caldera de este tipo son dos:
Por caída brusca de presión debido a una fisura.
Por quedar descubiertos una o más líneas de tubos de humos.
Por caída brusca de presión debido a una fisura
A mayor presión el agua hierve a mayor temperatura.
Si se produce una fisura en alguna parte de la caldera, la presión bajara bruscamente por la pérdida de vapor producida, en consecuencia, como el agua esta a una temperatura mayor a la temperatura de vaporización de la presión a que quedo el interior de la caldera, obviamente menor, se vaporizara en forma instantánea una gran cantidad de agua, elevándose la presión muy rápidamente, pudiendo llegar a presiones que podrían hacer explotar la caldera.
Por quedar descubiertos una o más líneas de tubos de humos.
La fila superior de tubos, debe estar siempre cubierta como mínimo por 8 cm de agua. En caso de producirse una falla en la línea de alimentación de agua (por ejemplo salida de servicio de bomba de alimentación), podría quedar descubierta, elevándose su temperatura ya que no se refrigerará.
Si el foguista, con la caldera en esas condiciones, pone en marcha la bomba nuevamente, el agua fría entrara en contacto con los tubos que están descubiertos y a alta temperatura, vaporizándose en forma instantánea una
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gran cantidad de vapor, elevándose fuertemente la presión, pudiendo llegar a explotar el equipo.
Producción de vapor
En la figura 37 se puede apreciar un esquema de una caldera con un corte transversal con las entradas y salidas de la misma.
Figura 37
Tanque de agua de limentación
En la figura 38 se puede apreciar la función que cumple el tanque de alimentación y como va conectado. El esquema contiene un economizador que precalienta el agua antes de entrar a la caldera con los gases de combustión que salen por la chimenea. Para ello se instala en el tiraje un intercambiador de calor.
Figura 38
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En la figura 39 puede observarse un esquema más completo de una caldera con sus instalaciones auxiliares.
Figura 39
En la figura 40 se puede observar una aplicación típica de un circuito de vapor, haciendo la salvedad que un circuito real tendrá otros componentes no incluidos en el esquema.
Figura 40
Cañerías de vapor
Las cañerías de vapor tienen que soportar elevadas temperaturas por lo cual sufren fuertes dilataciones. Para evitar tensiones en ellas se utilizan destinos tipos de conexión entre cañerías. Dos de ellas se pueden observar en la figura 41.
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Figura 41
En ambos casos, tanto el sistema de fuelle como el caño omega, absorberán posibles dilataciones de la cañería.
En la figura 42 se muestra algunas de las formas de anclaje de las cañerías, mientras que en la 43 formas correctas e incorrectas de soportar las cañerias.
Figura 42 Figura 43
Conexiones de las derivaciones
En todo circuito de vapor habrá que realizar distintas derivaciones para atender distintos equipamientos.
En estas derivaciones es importante que vaya vapor y no condensado para lograr esto es necesario realizar en forma correcta las derivaciones.
En la figura 44 se muestra la forma correcta e incorrecta de realizar estas derivaciones.
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Figura 44
Drenaje de condensado en líneas de vapor
El vapor suele condensarse a través de las cañerías, para un mejor funcionamiento del sistema es necesario su drenaje. En la figura 45 se muestra la forma correcta de realizar el drenaje.
Figura 45
En el denominado conjunto de trampeo, su puede observar de izquierda a derecha los siguientes elementos. Válvula de servicio, cupla, filtro, válvula de retención, trampa de vapor, mirilla, cupla, válvula de servicio.
Calefacción por agua caliente
Los sistemas utilizados son dos:
Alimentación por termosifón. Alimentación forzada.
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Alimentación por termosifón
Este sistema de calefacción es antiguo y prácticamente en desuso. Consiste en que el agua caliente circula por termosifón, o sea por diferencia de pesos específicos entre la parte caliente (caldera) y la parte más fría (radiadores). El esquema de un circuito de éste tipo se da en la figura 46.
Figura 46
Para un correcto funcionamiento, debe existir desde la parte más alta de alimentación, una pendiente negativa hacia los radiadores de calefacción, y de estos, también una pendiente negativa hacia la caldera. En caso de no cumplirse con la condición anterior, el agua dejara de fluir por el circuito.
Los radiadores de calefacción se colocaran en paralelo en el circuito.
En todos los casos se debe colocar un tanque de agua en la parte superior del circuito, el cual está abierto a la atmósfera. Este tanque cumple varias funciones. Permitir la expansión del agua ante el aumento de su temperatura. Permitir el llenado del circuito. Que el circuito tenga una reserva de agua.
Alimentación forzada
El sistema es similar al anterior, con la diferencia que el agua circula impulsado por una bomba centrífuga.
Al ser impulsada el agua por una bomba, se pueden lograr mayores potencias de calefacción que en el caso anterior.
Al igual que el sistema de circulación por termosifón, los radiadores de calefacción se colocaran en paralelo. También es necesaria la colocación de un tanque de agua en la parte superior del circuito, que cumple iguales funciones que en el caso anterior.
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En la figura 47 se muestra un esquema de este tipo de calefacción.
Figura 47
Calderas domiciliarias
Actualmente se utilizan pequeñas calderas compactas que abastecen casas o departamentos. Las fotografías de las figuras 48 y 49 muestran este tipo de unidades.
Figura 48 Figura 49
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La caldera de la figura 48 es para calefacción, con cuerpo de fundición de hierro y una capacitad de calefacción de 30.000 a 65.000 Kcal.
La de la figura 49 es dual, o sea para calefacción y uso sanitario, con una capacidad de entre 21.000 a 33.000 Kcal.
Figura 50 Figura 51
En las figuras 50 y 51, se muestran los esquemas de éste tipo de caldera.
La diferencia entre el esquema de la figura 50 y la 51, es que éste último posee un tanque de acumulación de agua sanitaria con un serpentín interior que la calienta, por lo cual posee una reserva de agua.
Estos sistemas de calefacción funcionan de manera que cuando se utiliza el agua caliente sanitaria, por ejemplo cuando alguien se ducha, todo el calor generado por el quemador y transferido al agua, es empleado para calentar el agua caliente sanitaria en un intercambiador de calor, quedando entonces sin calefacción la casa o el departamento.
Esto no es un inconveniente, ya que el tiempo de uso del agua caliente sanitaria no es muy prolongado, por lo que el edificio no llega a perder una temperatura que sea apreciable, o sea se usa la inercia térmica del edificio.
Una vez que se termino de usar el agua caliente sanitaria, el agua caliente, vuelve al sistema de calefacción.
Tanto la caldera de la figura 50 como la de la figura 51, poseen tanques de expansión hidro neumáticos. Estos no están abiertos a la atmósfera. Consisten en un recipiente cerrado con una membrana interior. De un lado de la membrana se encuentra el agua y del otro aire. Esta membrana absorberá la expansión del líquido por el aumento de su temperatura, expandiéndose
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contra el aire. El tanque de expansión va conectado a la entrada de agua de la serpentina de calentamiento.
Este tipo de tanque de expansión ocupa mucho menos lugar que los utilizados en los esquemas de las figuras 46 y 47, por lo que se encuentran dentro de la cubierta de la caldera, formando parte de ella.
Figura 52 Figura 53
En las figuras 52 y 53 se muestran otros esquemas de éste tipo de calderas, el esquema de la figura 53 tiene la particularidad que posee un tanque de acumulación, por lo que trabaja en forma semejante a un termo tanque.
En la fotografía de la figura 54 se aprecia una caldera recostada sobre una superficie horizontal.
En su parte inferior y en forma horizontal se encuentra el acumulador de agua caliente sanitaria debidamente aislado.
En la parte superior el hogar con el quemador en su interior.
Sobre el hogar se encuentra un ventilador centrífugo encargado de eliminar los gases de la combustión, o sea este sistema de tiraje de gases de combustión es de tipo inducido.
Cuando el termostato ubicado en el ambiente a calefaccionar da la señal para que se encienda la caldera, lo primero que se accionará es el ventilador provocando un venteo del hogar por posible acumulación de combustible en este, ante una posible pérdida de alguna válvula solenoide.
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Figura 54
En la figura 55 se observa la parte inferior de la caldera de la figura 54. Puede verse el tanque de acumulación y las entradas y salidas de agua. La figura 57 muestra las bombas centrífugas desarmadas, debajo de la cuales se encuentra el tanque de acumulación.
Figura 55 Figura 56
En la figura 57 se puede observar el ventilador centrífugo correspondiente al tiraje inducido, el cual es el primero en encender cuando el termostato da la señal para que arranque la caldera.
La figura 58 muestra la válvula de seguridad del sistema, la cual es de resorte debiendo estar correctamente calibrada.
La válvula de seguridad va en la línea de agua de salida de calefacción de la caldera.
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Figura 57 Figura 58
En las figuras 59 y 60 se ven dos tipos de tanques de expansión de calderas domiciliarias. En su interior poseen una membrana que separa el agua del aire, expandiéndose cuando el agua aumenta su volumen por un aumento de su temperatura.
Figura 59 Figura 60
En las fotografías de las figuras 61 y 62 se observan dos tipos de intercambiadores de calor de fundición de hierro.
Varios de estos elementos juntos, forman el intercambiador de calor y el hogar de la caldera.
Los quemadores van en la parte inferior de estos elementos cuando se encuentran armados.
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Figura 61 Figura 62
La fotografía de la figura 63 muestra un quemador, mientras que la 64 un intercambiador de calor que recibe el calor proveniente de los gases de combustión y se los transfiere al agua que circula por el interior de los caños del serpentín. Este se encuentra aletado del lado de los gases para mejorar la transferencia de calor.
Figura 63 Figura 64
En las fotografías 65 y 66 se pueden apreciar las bombas impulsoras de los equipos analizados. La bomba de la fotografía 65 no posee la envuelta o caracol, por lo que se puede observar el rodete.
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Figura 65 Figura 66
La fotografía 67 muestra un radiador muy utilizado en la actualidad. El mismo es de aluminio y es modular, o sea que se pueden ir agregando módulos para tener una mayor potencia de calefacción.
En la fotografía se ven dos módulos ensamblados.
Figura 67
Las fotografías 68 y 69 muestran radiadores de calefacción de fundición de hierro. El de la fotografía 68 es integral, mientras que el de la 69, al igual que el de aluminio, es modular, por lo que se le puede agregar módulos para obtener la potencia calorífica necesaria.
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Figura 68 Figura 69
Legislación sobre seguridad en calderas
La legislación que atiende este tema en la Provincia de Buenos Aires es la Ley 19.587, Dec. Reg. Nº351/79 – Capitulo 16.
Se adjunta a continuación los puntos más destacados sobre la misma.
Los trabajadores encargados de su manejo deberán estar entrenados e instruidos adecuadamente.
Deberán estar protegidas mediante revestimiento para evitar la acción del calor.
Se deberá dejar una distancia mínima de 1,5 m a su alrededor. Se prohíbe el almacenaje de materiales combustibles en las
proximidades. Se deberán controlar e inspeccionar totalmente una vez al año. Se controlará repetidamente en la jornada de trabajo el nivel de agua,
purgándose a fin de comprobar que las conexiones se encuentren libres.
Todas las calderas de vapor deberán tener válvula de seguridad y presostato, el cual al llegar a valor predefinido interrumpe el suministro de combustible al quemador.
Las calderas de agua deberán tener un acuostato que interrumpa el suministro de combustible al quemador al llegar a una temperatura definida.
Si se usa gas natural deberán poseer antes del quemador dos válvulas solenoides en serie.
Si el quemador tiene piloto, este debe poseer una termo cupla de corte de suministro de combustible.
Las válvulas de seguridad, deben evacuar la totalidad del volumen de los fluidos producidos al exceder los valores prefijados.
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Deben poseer presostatos que al llegar a valores prefijados interrumpan el suministro de combustible al quemador.
Todos los artefactos o recipientes que contengan fluidos a presión deberán poseer placa identificadora con los siguientes datos:
a) Nombre del fabricante y domicilio. b) Número y serie de fabricación. c) Nombre y datos técnicos principales del artefacto. d) Fecha de fabricación. e) Norma a la que responde la fabricación.
Los ensayos a realizar para la rehabilitación de la caldera serán los
siguientes : a) Medición de espesores de pared y cálculo de verificación. b) Verificación de uniformidad de espesores de pared por
ultrasonido. c) Detección de grietas superficiales. d) Verificación de uniones remachadas o soldadas. e) Verificación de deformaciones permanentes durante la prueba
hidráulica. f) Deberán cumplir con un ensayo de eficiencia térmica.
Serán construidos con materiales que respondan a la Norma IRAM
2720. Serán instaladas en local separado la instalación industrial. Los techos de los locales se construirán con materiales livianos. La distancia a las paredes medianeras será mayor a los 10 metros. Al momento de la inspección se le deberá realizar una prueba
hidráulica que consistirá en someter el generador a la presión hidráulica de prueba que corresponda a su norma de construcción.
Durante la prueba no deberá notarse pérdidas ni deformaciones. Deberá estar provista de dos válvulas de seguridad independientes
conectadas a la cámara de vapor del artefacto. Toda chapa que tenga una cara en contacto con las llamas debe tener la
opuesta bañada por el agua, con excepción de los recalentadores. Deberá tener un manómetro a la vista del foguista graduado en
Kg/cm2, debiendo tener marcada la presión máxima que puede funcionar.
Deberá estar provista de dos aparatos indicadores de nivel de agua en comunicación con el interior, de funcionamiento independiente y a la vista del foguista.
Deberá tener dos aparatos de alimentación independientes. Cada uno tendrá suficiente capacidad para proveer con exceso toda la cantidad de agua necesaria.
El nivel de agua deberá mantenerse a una altura mínima de 0,08 m Sobre el punto más elevado de calefacción. Esta posición límite deberá indicarse en una forma bien perceptible en los tubos de nivel.