INTRODUCCIÓN

En este proyecto se describirán conceptos sobre la clasificación de las calderas, el

mantenimiento, objetivos, importancia del tratamiento del agua y se dará la información

necesaria para una buena operación y mantenimiento del equipo. Sobre el tratamiento del

agua todos sabemos que es muy importante para que el equipo funcione adecuadamente, ya

que pueden surgir problemas a futuro en el sistema. Los pasos de operación del equipo son

básicos para el buen funcionamiento, porque, el equipo fue diseñado para operar bajo

ciertas condiciones y con los pasos de operación podemos hacer que el equipo opere

adecuadamente. El mantenimiento es muy importante para tener un buen funcionamiento

del equipo, ya que sin este se pueden provocar problemas muy graves en el sistema.

Una caldera es un recipiente sujeto a presión que sirve para calentar agua, con la finalidad

de producir una cantidad de vapor necesario para alimentar a una maquina térmica, los

radiadores de calefacción central, las estufas para esterilizar y otras instalaciones.

Las calderas más simples consisten en un recipiente cilíndrico dispuesto sobre un hogar;

para aumentar la superficie de contactó, se han agregado al cuerpo principal unos tubos que

comunican con el mismo. La caldera es el equipo básico de una instalación para producir

vapor, y ciertamente el componente más costoso del conjunto, consta de la simple cámara

para generar vapor, y ciertamente el componente más costoso del conjunto, consta de la

simple cámara para generar calor, la caldera, el fogón y sus estructuras. A esto hay que

agregar los quemadores mecánicos, los hogares enfriados por medio de agua, los

supercalentadores, economizadores, calentadores de aire, y otros accesorios relacionados

con las calderas, tales como de areadores de agua de alimentación, ventiladores de tiro

forzado o tiro inducido, bombas y aparatos similares, para la formación de unidades

generadoras de mayor capacidad y más completas.

El vapor es ampliamente utilizado para calefacción para secar pastas, para evaporar

disoluciones químicas, para procesos de calentamiento, para mover turbinas, máquinas y

bombas; para realizar los miles y miles de procesos en todas las ramas de la industria. El

vapor es utilizado en estos casos, simplemente porque existe una necesidad de calor y de

energía al mismo tiempo, y el vapor es la manera más adecuada y económica de transportar

grandes cantidades de calor y de energía. El vapor es fácil de producir, ya que se obtiene

del agua y generalmente se requiere de un recipiente adecuado para producirlo

industrialmente, este recipiente es una caldera o un generador de vapor.

Las calderas modernas se construyen según normas de fabricación de prestigio

internacional, y están provistas de equipos automáticos de operación y seguridad, haciendo

pensar a algunos usuarios que no requieren la atención de expertos. Por esta razón ponen

sus unidades en manos de gente con poca experiencia que no siguen las buenas reglas de

operación en la forma debida, y muchos de ellos se figuran que su caldera al ser

completamente automática, está completamente protegida de accidentes, sin considerar que

todo recipiente sujeto a presión y que se encuentre bajo fuego, es potencialmente peligroso,

y sus controles automáticos no sustituyen a las reglas de seguridad.

Se puede aceptar tranquilamente las responsabilidades de una caldera con operación digna

de confianza, pero la seguridad, confiabilidad, y eficacia en la operación solamente pueden

conservarse con la aplicación de un programa básico de mantenimiento.

Es indiscutible que las calderas y recipientes sujetos a presión representan riesgos tanto en

vidas como en fincas. Tan es así, que existen normas para su construcción y reglamentos

para su instalación, operación, y mantenimiento; todas ellas con la intervención de

autoridades, agrupaciones de ingenieros, y compañías de seguros.

La confiabilidad de una caldera no depende exclusivamente de su fabricante, ya que este al

cumplir con las normas de construcción universalmente reconocidas, salva totalmente su

responsabilidad. El montador que observa los reglamentos y normas de instalación también

puede olvidarse de los riesgos que representa una caldera, pero la persona que la opera tiene

una alta responsabilidad permanente, y nunca puede dejar de pensar en los cuidados a

seguir para mantener condiciones óptimas de seguridad.

El mantenimiento en calderas debe ser una actividad rutinaria, muy bien controlada en el

tiempo, y por lo tanto; el desarrollar un programa de mantenimiento permite que la caldera

funcione con un mínimo de paradas en producción, minimiza costos de operación y permite

un funcionamiento seguro. El mantenimiento en calderas pude ser de seis tipos, Rutinario,

Programado, Correctivo, Reparación, Circunstancial, y Preventivo.

MARCO TEORICO

La historia de la caldera ha sido larga y de constantes avances tecnológicos; y no pudo ser

sino Inglaterra, corazón industrial del mundo, a finales del siglo XVIII y comienzos del

XIX, la cuna de uno de los inventos más portentosos del hombre en cuanto a la obtención

de energía: la caldera a vapor, cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor

como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a

desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso

en las distintas industrias. Con el paso de los años se han mejorado y optimizado los

diseños, disminuyendo así su tamaño y aumentando considerablemente la eficiencia de la

caldera. Las primeras calderas tenían el inconveniente de que los gases calientes estaban en

contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del

combustible; debido a esto las instalaciones industriales fueron perfeccionándose,

colocando el hogar en el interior y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la

superficie de calefacción. Así, pus, mientras el mundo, más allá de la pujanza

industrializadora de los ingleses, demandaba recursos energéticos para su desarrollo, la

caldera fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para los

procesos productivos. El invento fue tal vez rudimentario al comienzo, pero fue logrando

avances en la media que diferentes hombres de gran ingenio incorporaron nuevas ideas para

ir haciéndolas cada vez más eficientes y seguras.

La caldera de vapor más elemental fue diseñada por Dionisio Papín en 1979, una caldera de

pequeñas dimensiones llamada “marmita” con ella se trató de remplazar a los modelos

anteriores pero el intento fracaso; sin embargo, quien la desarrollo completamente fue

James Watt en 1776. Estas calderas eran utilizadas para accionar bombas de agua, tenían

forma cilíndrica vertical y eran de larga vida útil; además, fueron estas las responsables de

la revolución industrial que comenzó en ese siglo.

Las calderas tipo Lancashire fueron desarrolladas en 1884 por William Fairbairn, a partir de

lo que se conocía como caldera “Cornich” de un fogón o caldera “Trevithck’s”, su

estructura estaba compuesta por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 de largo,

a través del cual pasaban 2 tubos de gran diámetro llamados fogones; cada fogón era

corrugado de manera que absorbiera la expansión de la caldera cuando se calentaba y para

prevenir su colapso debido a la presión externa de la caldera se instalaban una cámara de

combustión a la entrada, en lo que corresponde al frente de la caldera. La cámara de

combustión de la caldera estaba diseñada para quemar gas, petróleo o carbón, y los

combustibles calientes pasaban de la cámara de combustión a los fogones de la caldera, los

cuales se encontraban rodeados por agua en su exterior y el calor que se generaba en la

cámara de combustión era transferido al agua de la caldera. La caldera era instalada en una

fundición de ladrillo llamada “setting” o montura, con el propósito de mejorar la eficiencia

térmica del equipo de la caldera. En el frente de la caldera el flujo de gases calientes era

dividido en dos corrientes que pasaban hacia el fondo del equipo por los costados. Esto se

conseguía mediante 2 ductos en los lados de la caldera, que formaban parte del Setting y

que se encontraban al fondo de la caldera para dar paso a la chimenea. Por mucho tiempo se

fabricaron calderas de distintos tamaños, la más pequeña media 5.5 m de largo por 2 m de

diámetro y la más grande era de 10 m de largo por 3 m de diámetro, su producción de vapor

variaba entre 1500 kg/h y hasta 6500 kg/h aproximadamente, operando a presiones de hasta

17 Bar. Contenían un gran volumen de agua, que se traducía en una gran capacidad de

almacenamiento de energía, con lo que podían responder fácilmente a demandas repentinas

de vapor. El volumen de agua contenida significaba también que el control el nivel y de la

calidad del agua no era tan crítico como en las calderas modernas, su principal desventaja

era que después de calentamientos y enfriamientos repetidos, las expansiones y

contracciones se traducían en deterioró de la mampostería, lo que provocaba

infiltraciones de aire parásito, que desequilibraba el tiro de la caldera a la vez que disminuía

su eficiencia.

JUSTIFICACIÓN

Desde el invento de la máquina hasta nuestros días, se ha desarrollado una gran variedad de

calderas. Entre la primitiva caldera cilíndrica sencilla a carbón y la más moderna caldera

atómica, existe una amplia gama de calderas, adecuadas para cubrir las diferentes

necesidades humanas. Es por ello que las calderas forman una parte esencial de cualquier

planta de potencia y de cogeneración.

En este proyecto veremos los diferentes tipos de calderas más comunes, las características

de la caldera del laboratorio de química pesada, también conoceros las partes principales

que el alumno debe de conocer, su funcionamiento, mantenimiento integral, el cual

permitirán un mejor manejo del equipo. El vapor generado se utiliza para el funcionamiento

de los equipos de laboratorio de Química pesada.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL.

Conocer los cuidados básicos que debe de tener la caldera, con la finalidad de

prevenir reparaciones mayores y realizar el mantenimiento integral para alargar la

vida de la caldera.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

1. Efectuar las tareas básicas de operación y mantenimiento preventivo con

procedimientos adecuados

2. Saber detectar condiciones anormales de operación en la caldera antes de

que se ocasionen daños irreversibles.

3. Determinación y análisis de la dureza del agua en los tanques de arena,

zeolita y almacenamiento de agua.

ALCANCES Y LIMITACIONES

ALCANCES.

Este proyecto se elaboró con la finalidad de generalizar lo más ampliamente posible su

utilidad para calderas de alta presión. La investigación será de tipo descriptivo ya que

tiene como propósito identificar las principales fallas que existen en el funcionamiento de

un generador de vapor, con la finalidad de darle un correcto mantenimiento preventivo a

dicho equipo.

LIMITACIONES.

La caldera en la que se va a trabajar no se encuentra encendida las 24 hrs del día,

únicamente se arranca cuando hay prácticas en el Laboratorio de Química Pesada en el

Instituto Tecnológico de Oaxaca.

CAPÍTULO I. FUNDAMENTO TEÓRICO.

1.1. DEFINICIONES DE CALDERA.

Las siguientes definiciones de caldera generalmente se encuentran en forma de

leyes estatales y códigos de la caldera referentes a requisitos de instalación o

inspección, así como leyes de ingeniería para operar este tipo de equipos.

Una caldera es un recipiente a presión cerrada en el que se calienta un fluido para

uso externo del mismo por aplicación directa del calor resultante de la combustión

de un combustible (sólido, líquido o gaseoso) o por utilización de la energía

nuclear o eléctrica.

Una caldera de alta presión es aquella que genera vapor a una presión mayor de

15 psig (1.05 kg/cm2) manométrica (1.05 atmosferas efectivas o manométricas).

Por debajo de esta presión se clasifican como calderas de vapor de baja presión.

Las pequeñas calderas de alta presión se denominan calderas miniatura según la

normativa de Estados Unidos.

De acuerdo a la sección I del código de calderas y recipientes a presión de la

ASME (American Society of Mechanical Engineering) una caldera miniatura de

alta presión es una caldera de alta presión que no excede de los limites

siguientes: 16´´ (406.4 mm) de diámetro interior de virola (o chapa envolvente

cilíndrica); cinco pies cúbicos de volumen bruto de virola y asilamiento; y 100 psig

(7 kg/cm2 efectivos o manométricos) de presión. Si se excede estos límites, se

trata de una caldera de potencia.

Una caldera de potencia es una caldera de vapor de agua o de fluido que trabaja

por encima de 15 psig (1.05 kg/cm2) y excede el tamaño de una caldera miniatura.

Esto también incluye el calentamiento de agua caliente o calderas de agua

caliente que funcionan por encima de 160 psi (11.2 kg/cm2) o 250 °F (121.1 °C).

Las calderas de potencia también se llaman calderas de alta presión.

Una caldera de baja presión se define como una caldera de vapor que trabaja

por debajo de 15 psig (1.05 kg/cm2) de presión o una de agua caliente que

funciona por debajo de 160 psig (11 kg/cm2) o 250 °F (121 °C).

Una caldera de calefacción por agua caliente es una caldera que no genera

vapor, pero en la cual el agua caliente circula con propósitos de calefacción y

después retorna a la caldera y que trabaja a presiones que no exceden de 160

psig (11.2 kg/cm2) o de una temperatura de agua no mayor de 250 °F (121 °C) en

o cerca de la salida de la caldera. Estos tipos de calderas se consideran calderas

de calefacción de baja presión, construidas bajo las especificaciones de la sección

IV del código ASME de calderas. Si se exceden las condiciones de presión o

temperatura, las calderas deben diseñarse como de alta presión común bajo las

especificaciones de la sección I del código.

Una caldera de suministro de agua caliente o, más brevemente dicho, una

caldera de agua caliente, está completamente llena de agua y suministra agua

caliente para usarse en el exterior de ella (sin retorno) a una presión que no

exceda de 160 psig (11.2 kg/cm2) efectivos o a una temperatura de agua que no

pase de 250 °F (121 °C). Estos tipos de calderas se consideran también calderas

de baja presión, construidas según los requisitos de la sección IV (calderas de

calefacción) del código ASME. Si se sobrepasan la presión o temperatura, estas

calderas deben diseñarse como calderas de alta presión.

Una caldera de calor perdido utiliza subproductos térmicos como gases de

hornos de laminación o siderurgia, gases de escape de una turbina de gas o

subproductos de un proceso de fabricación. El calor residual se pasa por unas

superficies de intercambio térmico para producir vapor o agua caliente para uso

convencional. Las mismas normas básicas del código ASME de construcción se

aplican a todas calderas de recuperación de calores perdidos al igual que se

aplican a las calderas calentadas por combustibles convencionales, y los equipos

auxiliares y de seguridad normalmente requeridos en una caldera se precisan

también para una unidad de calores perdidos.

Los ingenieros prefieren utilizar el término generador de vapor en vez de caldera

de vapor, porque el termino caldera se refiere al cambio físico del fluido contenido,

mientras que generador de vapor cubre la totalidad del aparato en el que el

cambio físico está teniendo lugar. Pero en su utilización normal, ambos términos

son básicamente lo mismo.

Una caldera compacta es una caldera completamente montada en fábrica, de

tubos de agua, de tubos de humos o de fundición, e incluye quemador, controles y

elementos de seguridad. Una caldera montada en fábrica es más barata que una

unidad montada en campo, de la misma capacidad de producción de vapor.

Mientras que una caldera montada en fábrica no es una caldera fuera de serie,

generalmente puede montarse y entregarse mucho más rápidamente que una

caldera montada en capo, los tiempos de instalación y puesta en marcha son

sustancialmente más cortos. Los trabajos realizado en fabrica normalmente

pueden ser mejor supervisados y realizados a costo más bajo.

Una caldera supercrítica funciona por encima de la presión crítica absoluta de

3206.2 psig y 705.4 °F de temperatura de saturación. El vapor y el agua tienen

una presión crítica de 224.43 kg/cm2. A esta presión el vapor y el agua tienen la

misa densidad, lo que significa que el vapor esta comprimido tan intensamente

como el agua. Cuando esta mezcla se calienta por encima de la temperatura de

saturación correspondiente (de 705.4 °F) para esta presión, se produce vapor

seco sobrecalentado capaz de realizar trabajo útil por su presión elevada. Este

vapor seco está especialmente indicado para mover turbogeneradores. Las

calderas se clasifican también por la naturaleza de los servicios prestados. Las

clasificaciones tradicionales son: estacionaria, portátiles, de locomotora y marina,

definidas como sigue.

Una caldera estacionaria es la instalada permanentemente en una posición fijada

en lugar. Una caldera portátil está montada sobre un camión, barco, pequeño

bote de rio u otro aparato móvil. Una caldera de locomotora es una caldera

diseñada especialmente para vehículos de tracción autopropulsados sobre raíles

(también se usa para servicio estacionario). Una caldera marina es normalmente

una caldera de tipo especial de cabezal bajo destinada para barcos de carga y

pasajeros con una capacidad de vaporización inherente rápida.

El tipo de construcción también diferencia las calderas como sigue: las calderas de

fundición son unidades de calefacción de baja presión construidas por secciones

de fundición a presión de hacer, bronce o latón. Los tipos normales fabricados son

clasificados por el modo en que se disponen o ensamblan las secciones de

fundición por medio de conectores, colectores exteriores y manguitos roscados.

Hay tres tipos de calderas de fundición:

1. Calderas verticales de fundición de secciones colocadas o montadas

verticalmente una encima de otra.

2. Caldera horizontal de fundición por secciones conectadas o

ensambladas horizontalmente de modo que las secciones se mantienen

juntas como rebanadas en una hogaza de pan.

3. Pequeñas calderas de fundición también construidas en una pieza o

molde simple de pieza única. Estas son generalmente pequeñas calderas

usadas principalmente en el pasado para servicios de agua caliente.