Capitulo 1 y 2.-Calderas Codigo

Profesor: Martin L. Raddatz K Marzo 2015

UNIVERSIDAD ANDRES BELLO

Facultad: INGENIERIA Escuela: Ingeniera Martima Carrera: Ingeniera en Marina Mercante, mencin Maquinas

Curso : CALDERAS DE VAPOR

Cdigo: MMQ 296


CAPITULO 1

CALDERAS DE VAPOR

0.- Introduccin La energa acumulada en el vapor de agua se ha venido utilizando desde los primeros tiempos de la Revolucin Industrial. Aunque existen antecedentes, como el inventor espaol Blasco de Garay, quien en 1543, en Barcelona y ante el emperador Carlos V lo utiliz para mover el barco Trinidad de 200 toneles, fue en Inglaterra donde se originaron las primeras mquinas de vapor prcticas, y ms concretamente con los inventos del escocs James Watt.

La razn para que se haya utilizado el vapor de agua probablemente haya que buscarla en alguna de sus propiedades: En primer lugar, es barata y abundante. Transporta grandes cantidades de energa con una masa relativamente pequea Su temperatura se puede regular bastante bien controlando la presin. Se puede aprovechar la expansin debida al aumento de volumen que experimenta el agua cuando se convierte en vapor: cuando se une el calrico con partes de agua, a cuya mezcla se ha dado el nombre de vapor por los fsicos, llega a ocupar un espacio miles de veces mayor y se concibi que el vapor retenido hara prodigiosos esfuerzos contra obstculos considerables.

Actualmente, y debido al gran auge y desarrollo alcanzado por los motores Disel, as como sus menores gastos, sobre todo por su menor consumo especifico de combustible, la utilizacin del vapor en la propulsin naval es totalmente marginal, hubo un pequeo renacer en los buques de transporte de Gas Natural Licuado, en que se volvieron a usar las turbinas a vapor, en que se usaba el Bol Off Gas de la licuacin del Gas Natural a bordo como combustible para las calderas ( NOTA. Hoy en da el Bol Off Gas se utiliza en motores Disel Dual Fuel (DF):sin embargo para las grandes potencias en las que no alcanzan las gamas de estos motores; para los buques de guerra con propulsin nuclear, como submarinos o portaviones; y como


calefaccin, mediante pequeas calderas auxiliares (calderetas) que aprovechan el calor residual de los gases de escape del sistema propulsor principal se continua usando el vapor. Donde s se utilizan ampliamente es en tierra, en las plantas trmicas de produccin de energa elctrica, tanto nucleares como de carbn.

Otro inconveniente que tiene la propulsin a vapor es la gran inercia trmica que conlleva. Se necesitan algunas horas para que una planta parada (fra) se ponga a pleno rendimiento. Esto ha hecho que en algunas batallas navales, los barcos pillados por sorpresa no hayan podido reaccionar, como ocurri en el ataque japons a la flota de EE.UU. en Pearl Harbor en la segunda guerra mundial.

Esquema bsico de una instalacin propulsora de vapor

En esencia la caldera es el foco caliente (segundo principio de la termodinmica) donde el agua lquida se convierte en el llamado vapor saturado seco. En algunas plantas parte de este vapor se utiliza como calefaccin o para cierta maquinaria auxiliar, pero la mayor parte pasa al sobre-calentador, que se puede considerar como una prolongacin de la caldera, donde contina recibiendo ms calor para aumentar su temperatura. A continuacin el vapor sobrecalentado pasa a las turbinas donde cede su energa trmica para proporcionar trabajo, quedando como vapor saturado, normalmente con algo de humedad.

Como una segunda parte del circuito podemos considerar que el vapor final que sale de las turbinas pasa, en primer lugar, por el condensador (fuente fra del segundo principio de la termodinmica). Este elemento es un intercambiador de calor en el que un fluido (agua y vapor) se enfra hasta convertirse en agua, cediendo su calor a otro fluido de circulacin (agua de mar). Para su correcto funcionamiento, el condensador debe tener un cierto grado de vaco, el cual se logra mediante una bomba de extraccin, o incluso se puede ayudar con unos eyectores. La bomba de extraccin es, pues la encargada de aspirar el agua del condensador y enviarla al tanque des- aireador, normalmente a travs de un recipiente intermedio que es el condensador de eyectores (para evacuar los gases no disueltos).

Como en el condensador existe un cierto grado de vaco, la tendencia normal es que de alguna manera entre aire en el circuito del agua. Este aire es muy perjudicial, crea corrosin por el oxgeno que lleva y crea problemas


en la aspiracin de las bombas, especialmente si son centrifugas (cebado), por lo que la misin del tanque des-aireador es que el agua se desprenda de todos los gases que pueda llevar disueltos, para ello se calienta mezclndola con vapor (ley de Henry).

Del tanque des-aireador, el agua de alimentacin lo aspiran las bombas de alimentacin. Lo normal es que, por un lado, sean dos en serie, la primera es una bomba aportadora o booster, que aspira el agua del tanque des-aireador, el cual puede tener tambin vaco, y la descarga a la aspiracin de la bomba principal de alimentacin, sta ya la descarga a la presin de servicio de la caldera. Por otro lado, como seguridad, estas dos bombas en serie deben ser redundantes, es decir, se deben tener otras dos que funcionen en paralelo (Stand by).

El agua de alimentacin descargada por la bomba de alimentacin pasa a un intercambiador de calor dentro de la caja de humos de la caldera, llamado economizador, donde sufre el primer calentamiento aprovechando el calor remanente de los gases de escape de la combustin que se pierde por la chimenea.

Finalmente, el agua ya caliente pasa otra vez a la parte principal de la caldera donde se vuelve a reanudar el ciclo.

Todo esto que hemos comentado son las ideas bsicas, el esquema real de una planta de vapor es bastante ms complejo, pues habra que considerar, entre otras cosas, todo el sistema de vapor auxiliar, las posibles sangras, los aportes para compensar las prdidas que se producen por los obturadores de ejes, empaquetaduras, frisos, eyectores, etc.


Esquema bsico de un circuito de agua- vapor

1.0.-Historia

Al avanzar la revolucin industrial en el siglo XVIII se pens tambin en propulsar los buques con vapor. Las mquinas a vapor ya haban ingresado decididamente en la industrializacin de la hasta ahora manufactura. En cuanto al rea martimo en primer termino, se propulsaron embarcaciones menores instalando pequeas calderas de tubos de fuego y primitivas mquinas recprocas de vapor. Alguna connotacin logr en los Estados Unidos de Norteamrica el seor James Rumsey (1743 1798) y John Fitch 1743 1798) en este terreno. Sin embargo, recin en 1807 las mquinas ideadas y construidas por Robert Fulton fueron instaladas con satisfactorios resultados, a bordo de un vapor de nombre Clermont. Desde aqu en adelante la navegacin a vela fue reemplazada rpidamente por el vapor.

Este medio de propulsar las naves evolucion muy rpidamente, en especial cuando se invento la hlice (ver nota a continuacin) y las calderas ya no solo consuman carbn sino petrleo. Las calderas evolucionaron tambin desde las piro-tubulares a las multi-tubulares de presiones crticas y de una alta capacidad de evaporacin y produccin de vapor sobrecalentado.


Nota: La primera idea de la hlice la proporcion Leonardo da Vinci entre 1486 y 1490 en su proyecto de helicptero, pero la aplicacin de la hlice a la propulsin de naves se aplica tres siglos mas tarde, Bushnell en 1775 y Fulton en 1800 aplicaron ya hlices a los Submarinos por ellos ideados. Sin embargo el primer resultado prctico no se obtuvo hasta 1826, en Trieste cuando el funcionario forestal Giuseppe Ressel aplic una hlice de una espira y media al bergantn-goleta Civetta. Pocos aos despus, el agricultor ingles E.P. Smith obtuvo una patente para una hlice similar, hecha de madera. En 1863 la embarcacin en que dicha hlice iba montada choc con un escollo y perdi parte de ella, lo que se tradujo en un sensible aumento de la velocidad. A resultas de este incidente nacieron las hlices modernas, en las que las palas, en numero de 2 a 6, abarcan solo una fraccin de la espiral, yendo dispuestas simtricamente en torno a un ncleo montado en el extremo del eje porta-hlices, que es el encargado de transmitir el movimiento de rotacin.

Pero, a contar de la guerra de los seis das en el medio oriente 1973 - que gatill una brusca subida en los precios internacionales del petrleo, tal que el costo operacional de una nave se vera muy seriamente afectado, se comenz a buscar otras fuentes de propulsin, como lo son los motores de combustin interna, notoriamente mas eficientes.

Si bien es cierto, se pudo reemplazar en buena medida la propulsin a vapor por el motor Diesel, no es menos cierto, que el vapor hasta el da actual sigue siendo necesario a bordo de ciertas naves como propulsin, en el caso de muchos buques de transporte de Gas Natural Licuado. Y como motor de mquinas auxiliares, como ser en el uso de bombas de descarga y de barrido y de la maquinaria de cubierta en los petroleros, para calefaccin de combustibles pesados y para la calefaccin de petrleo carga. En estos casos es muy frecuente el encontrar calderas de pozo o de Gases de descarga.

Por tanto, daremos especial nfasis en este captulo a las calderas piro-tubulares, a las calderas multi-tubulares compactas, a las de pozo y a las de gases de descarga.


1.1.- Tipos de Calderas de Vapor

Como ya queda dicho, las calderas son los elementos de la instalacin cuya misin es producir vapor de agua a partir del calor que se desprende al quemar en su interior algn combustible, como carbn, derivados del petrleo o algn gas.

Tradicionalmente las calderas se han clasificado de una forma primaria en piro-tubulares o de tubos de llama y acuo-tubulares.

Las calderas piro-tubulares se caracterizan porque los gases calientes procedentes de la combustin, pasan por el interior de unos tubos cediendo su calor a una masa de agua que los rodea. Hoy son prcticamente piezas de museo y slo se utilizan, por su simplicidad, en algunas calderetas de vapor auxiliar que aprovechan el calor remanente de los gases de escape del motor propulsor del buque. Histricamente, la ms representativa de ellas es la conocida como caldera escocesa (Scotch). Esta caldera bsicamente consiste en un cilindro con tres zonas: La zona inferior es el hogar, donde se quema el combustible, y si ste es carbn hay que separarlo del fondo mediante la parrilla, que es un enrejado de hierro con unos claros del tamao adecuado para que el aire pase entre el carbn ardiendo y deje caer al fondo el carbn quemado (cenizas) y las escorias. A esta zona baja del hogar se le suele denominar cenicero.

Del hogar, los gases calientes de la combustin pasan a la zona posterior de la caldera conocida como caja de humos.

De la caja de humos arrancan unos tubos horizontales por los que circulan los gases calientes, para finalmente salir por la chimenea tras completar el circuito. Esta tercera zona est situada encima del hogar, y en ella los tubos de humos estn rodeados de la masa de agua a la cual calientan.


Esquema de una Caldera Piro-Tubular de dos pasada

Vista de la caja de humos ,tubo del fogon y haz tubular de la segunda pasada.


As como en las calderas piro-tubulares son los humos los que circulan por el interior de los tubos, en las calderas acuo-tubulares es el agua o el vapor a calentar el que circula por dentro de los tubos, y reciben el calor de la combustin por fuera de ellos. Desde hace ya bastantes aos este es el tipo de calderas que se utiliza, ya que ofrece mejor rendimiento, tiene menos peso para la misma potencia de la planta, sobretodo de agua, y porque permite utilizar presiones ms elevadas de vapor.


1.1.1.- Segn Normas de Clasificacin

Las Normas UNE 9.002 y 9.003 presentan los diversos criterios de clasificacin para las Calderas de Vapor y las Calderas de agua sobrecalentada respectivamente. En dichas normas, atendiendo a la disposicin de los fluidos, se clasifican las calderas en:

i Calderas de tubos de humo o de fuego (piro-tubulares) ii Calderas de tubos de agua ( acuo-tubulares o multi-tubulares) iii Calderas de Pozo iv Calderas de recuperacin de calor de Gases de descarga

Esta divisin, sobre todo en el rea de calderas acuo-tubulares, debe ser ampliada para ser ms comprensible, ya que este tipo de generadores se pueden clasificar en funcin de innumerables parmetros. A continuacin se indican de forma resumida diferentes formas de clasificacin en funcin de las distintas variables que caracterizan a las calderas multi-tubulares.

A.- SEGN LA CIRCULACIN DE LOS FLUIDOS: a) Calderas de circulacin natural. b) Calderas de circulacin forzada. c) Calderas de circulacin controlada o asistida. d) Calderas de circulacin combinada (forzada y controlada).

Dado que se considera esta clasificacin como la ms importante a continuacin se define cada tipo.

a) Caldera de circulacin natural. Fig. 3.1

Este tipo de calderas slo emplea los fenmenos naturales de circulacin y evita la utilizacin de bombas de alta presin.

b) Caldera de Circulacin Forzada. Fig.3.2

La circulacin se obtiene por una bomba que impulsa el fluido por una serie de tubos situados en paralelo.


Una desventaja de este tipo reside en su reducida capacidad de acumulacin: el peso de agua contenido en la caldera es solamente del 5 al 10 por ciento del caudal horario mximo, comparado con el 20 al 30 por ciento para una caldera de circulacin natural.

Las cargas bajas en este tipo de caldera son muy peligrosas ya que, como el caudal que circula es pequeo, el agua se vaporiza y puede llegar a pasar al estado de vapor sobrecalentado.

El empleo de este tipo de calderas es poco recomendable para presiones bajas, dada la gran variacin de densidad del fluido.

c) Calderas de Circulacin Controlada o Asistida. Fig 3.3

Es una caldera de circulacin natural en la que se han intercalado una o varias bombas de circulacin en los tubos de bajada.

La igualdad de las velocidades en los tubos, que tienen distintos trazados, se obtiene por medio de diafragmas colocados en la entrada de cada tubo o grupo de tubos. Este tipo de caldera permite arranques ms rpidos, ya que la circulacin es establecida artificialmente. Se emplea para presiones comprendidas entre 140 y 190 Bar.


d) Caldera de Circulacin Combinada. Fig 3.4

Esta caldera es una combinacin de la de circulacin forzada y de la de circulacin controlada.

En principio, la bomba de circulacin trabaja para cargas inferiores al 60-70 por ciento de la plena carga. Para las otras cargas, la caldera trabaja con circulacin forzada clsica con la bomba de alimentacin. La bomba de circulacin permite as soportar cargas notablemente bajas.

Este tipo de caldera se usa sobre todo para presiones supercrticas.

B.- SEGN LA TRANSMISIN DE CALOR a) Calderas de conveccin b) Calderas de radiacin c) Calderas de radiacin y conveccin

C.- SEGN EL COMBUSTIBLE UTILIZADO a) Calderas de carbn (parrilla mecnica, carbn pulverizado y lecho

fluidificado)


b) Calderas de combustibles lquidos c) Calderas de combustibles gaseosos d) Calderas para combustibles especiales (licor negro, bagazo,

desperdicios de maderas, combustibles vegetales, etc.) e) Calderas de recuperacin de calor de gases (con o sin post

combustin)

D.- SEGN EL TIRO a) Calderas de hogar presurizado b) Calderas de hogar equilibrado

E.- SEGN EL SISTEMA DE SOPORTE a) Calderas apoyadas b) Calderas suspendidas

F.- SEGN LUGAR DE MONTAJE a) Calderas montadas en taller b) Calderas montadas en campo

G.- SEGN SU IMPLANTACIN a) Calderas terrestres b) Calderas marinas

H.- SEGN SU UBICACIN a) Calderas a la intemperie (outdoor) b) Calderas protegidas contra intemperie (indoor)

I.- SEGN SU OPERACIN a) Calderas automticas b) Calderas semiautomticas (automticas de encendido manual) c) Calderas de operacin manual

J.- SEGN LA PRESIN DE TRABAJO a) Calderas sub-crticas:

de baja presin: p 20 kg/cm de media presin: 20 p 64 kg/cm de alta presin: p 64 kg/cm

a) Calderas supercrticas


K.- SEGN EL MEDIO DE TRANSPORTE DEL CALOR a) Calderas de vapor b) Calderas de agua caliente c) Calderas de agua sobrecalentada

1.2.- Calderas Piro-tubulares

Se denominan as porque los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de una masa de agua, todo ello rodeado por un cuerpo o carcasa exterior (Virola). Los gases al atravesar los tubos ceden su calor sensible, a travs de sus paredes, al agua que los rodea, produciendo en las proximidades de los tubos su vaporizacin.

El diseo de estas calderas est limitado por la presin de vapor, debido a que las presiones mayores de 25 kg/cm obligaran a usar mayores espesores de la carcasa o manto de estas. La produccin de vapor alcanza como mximo 35 t/h.

Ventajas:

Gran volumen de agua y, por tanto, mucha energa acumulada Menores fluctuaciones de presin Rendimientos altos

Inconvenientes:

Riesgo de explosiones Problemas frecuentes si se instala un sobre-calentador Circulacin del agua interior sin definir

1.2.1 Calderas Piro-tubulares de Carbn

Se caracterizan porque necesitan un hogar amplio donde se originan importantes prdidas de calor tanto por conveccin como por radiacin, siendo imprescindible la instalacin de un buen aislamiento.


El equipo de combustin en este tipo de caldera se suele montar in situ, por lo que requiere que el montaje final se efecte en campo.

1.2.2 Calderas Piro-tubulares para Combustibles Lquidos o Gaseosos

Son ms pequeas que las anteriores y se dividen en dos grupos 1.2.2.1 De hogar integral

En este tipo de caldera, debido a que el combustible quemado es lquido o gas, se obtiene una llama alargada por la parte baja del hogar que es mucho ms pequeo que en las de carbn.


Fig. 3.6 Caldera tipo Scotch de tubo de hogar y doble pasada.

1.2.2.2 Compacta con tubo de hogar y doble pasada. Fig 3.6

Se caracteriza porque posee un tubo central sumergido en el agua, que hace de hogar. Los gases ceden calor a este tubo por radiacin. Posteriormente, pasan por los tubos que tambin estn sumergidos en el agua.

A veces, y debido a las dimensiones de la llama, se suelen fabricar estas calderas con doble hogar paralelo.Fig.3.5

Como se ha explicado anteriormente, las calderas piro-tubulares necesitan mucho menos espacio que las calderas acuotubulares. De esta manera, la sala de calderas es menor.

Se suelen entregar como unidades completas (salvo las de combustibles slidos), por lo que para su puesta en servicio slo requiere ser conectada a las lneas de suministro de agua, energa elctrica, vapor y combustible.

Todos los equipos necesarios para su funcionamiento, al igual que la caldera, suelen ir instalados sobre un bastidor comn, requiriendo tan slo una


cimentacin sencilla, lo que representa otra ventaja frente a las calderas acuo-tubulares.

Tambin, el ventilador de aire de combustin se instala en equipo compacto con el quemador (calderas de baja produccin hasta 3.000 kg/h de vapor) o sobre el cuerpo de caldera (calderas hasta 35.000 kg/h de vapor).

Se usa con combustibles lquidos o gaseosos, en unidad compacta, con funcionamiento totalmente automtico y con la siguiente composicin:

1. Cmara de combustin


Es la zona donde se produce la combustin y, generalmente, se compone de una parte de hogar liso (la ms prxima al quemador) y otra de hogar ondulado para hacerlo ms flexible.

2. Cajas de humos

En las cajas de humos los gases invierten el sentido de su movimiento. Su nmero depende del o los pasos de gases:

2 pasos de gases: 1 caja de humos 3 pasos de gases: 2 cajas de humos

En este ltimo caso se coloca una en la parte anterior y otra en la posterior.

3. Sobre- calentador

Habitualmente, se fabrican estas calderas para producir vapor saturado, an cuando se puede instalar un sobre-calentador que se puede situar en la caja delantera como trasera, dependiendo de los diseos. Suele ser de tipo serpentn (drenable) o del tipo de tubos en U (no drenable). En su colector de salida se sitan la vlvula de seguridad, presstatos, termmetro y manmetro, adems de tener los correspondientes injertos para purga y aireaciones.

1.3.- Calderas Acuotubulares

As como en las calderas piro-tubulares son los humos los que circulan por el interior de los tubos, en las calderas acuotubulares es el agua o el vapor a calentar el que circula por dentro de los tubos, y reciben el calor de la combustin por fuera de ellos. Desde hace ya bastantes aos este es el tipo de calderas que se utiliza, ya que ofrece mejor rendimiento, tiene menos peso para la misma potencia de la planta, sobretodo de agua, y porque permite utilizar presiones ms elevadas de vapor.

En las calderas acuotubulares, de una forma global, tambin podemos distinguir tres zonas:

a) El hogar o cmara de combustin.


b) La zona de agua y vapor, que est formada por los distintos tubos y colectores por donde circula el agua y el vapor. c) Conductos de gases: doble envuelta para el aire de entrada y caja de humos. Funcionamiento El agua procedente de la bomba de alimentacin que alimenta la caldera, pasa en primer lugar por el llamado economizador, que no es ms que un intercambiador de calor donde el agua, que circula por unos tubos a modo de serpentn, aprovecha el calor residual que tienen los gases de escape antes de salir por la chimenea.

De la salida del economizador, el agua se dirige a la caldera propiamente dicha y entra en la zona de agua de un gran depsito o colector alto, conocido como colector de vapor o caldern.

La mayor parte del calor producido en la combustin se transmite al agua de la caldera a travs de las paredes de los distintos tubos vaporizadores. Aprovechando las corrientes de conveccin, que se producen por la diferencia de densidades al calentarse, la mezcla de agua y vapor asciende por estos tubos hasta el caldern.

El colector de vapor acta como una cmara de expansin y es donde se separan el agua lquida del vapor, haciendo pasar esta mezcla por unos dispositivos dentro de l, (que dependern de cada fabricante y modelo). El vapor saturado procedente del caldern se dirige al recalentador, de donde sale a mayor temperatura y sin apenas variacin de presin, para ser utilizado en las turbinas.

Por su parte el agua lquida retorna de bajada por los tubos de cada, ms alejados del hogar (tericamente ms fros para completar el circuito convectivo de circulacin), hasta el colector bajo o colector de agua, y a los cabezales. A su vez, de estos colectores es de donde arrancan los tubos vaporizadores descritos anteriormente.


En negrilla: Tubos de Caida


Esquema de una Caldera multitubular y sus elementos


1.3.1.- Calderas Acuotubulares Compactas

En este apartado se recogen las calderas acuotubulares de montaje en taller que compiten con las calderas piro-tubulares recogidas en el apartado 1.2, y que por lo tanto son de baja produccin de vapor aunque pueden llegar a presiones altas.

Entre las grandes ventajas que presentan estas calderas compactas sobre otros tipos de generadores de vapor est la de requerir, en general, un espacio menor de instalacin para una misma superficie de calefaccin, as como presentar un peso ms reducido, circunstancia que debe tenerse en cuenta para su transporte e instalacin.

Las calderas de tubos de agua son, especialmente, aptas para trabajar con altas presiones, adaptndose a las mximas potencias, ya que sus piezas pueden construirse con facilidad y economa. Las calderas acuotubulares, por su relativamente reducido volumen de agua y buena circulacin interior, levantan presiones con mucha rapidez, lo que tiene como contrapartida lgica su relativamente pequeo poder acumulativo cuando se trabaja con grandes variaciones en el consumo de vapor.

Para subsanar este inconveniente es por lo que ciertas calderas de tubos de agua tienen uno o varios tambores colectores (Fig. 5), con lo que se tiene mayor cantidad de agua dentro del sistema de la caldera.

En las calderas acuotubulares se dispone la superficie de conveccin de tal manera que una parte de los tubos acten como conducto de bajada y el resto como conducto de subida, dependiendo de la cantidad de calor que se transmite a los tubos. Esto se denomina circulacin natural.( Fig. 3.9)

Las primeras hileras, formadas por muchos tubos que estn expuestos al calor radiante directo (Fig. 3.8), actan como tubos de elevacin y el resto como tubos de bajada. El agua que baja (a temperatura de saturacin o un poco menos), no est mezclada con burbujas de vapor. Los circuitos de ascenso (a la temperatura de situacin) arrastran una mezcla de agua y vapor hacia el colector de vapor. La densidad menor de la mezcla dentro de los tubos de subida proporciona la presin motriz que mantiene la circulacin (Fig. 3.9).


Si se quema ms combustible aumenta el nmero de tubos que actan como elevadores, con la correspondiente disminucin de los tubos de bajada. Una combustin excesiva puede reducir el nmero de tubos de descenso por debajo del lmite tolerable

La circulacin se beneficia intercalando un sobre-calentador de conveccin entre los haces de los tubos para separar las bajadas de las subidas, definindolas perfectamente. El agua sube por los haces del lado del hogar y


desciende por los ms alejados ya que los gases de la combustin, cuando llegan a estos ltimos, han perdido temperatura a travs de los primeros y del sobrecalentado de vapor, y calientan menos el agua.

Todas estas calderas tienen en comn entre s que el espacio del hogar viene limitado por superficies refrigerantes calentadas por radiacin, las cuales son mucho ms eficaces que las superficies de calefaccin por conveccin.

Las calderas con hogar con paredes de agua tiene un problema adicional con la circulacin. El calor radiante es absorbido con tal rapidez que una gran parte del tubo se llena de vapor cerca de su extremo superior. Para subsanar este inconveniente se necesitan conexiones que faciliten la circulacin en las paredes de agua, es decir, tubos de bajada que alimenten


los colectores de las paredes de agua y tubos de subida que conecten los colectores con los calderones y completen as el circuito. Las reas de flujo de las bajadas dependen del tamao de la pared expuesta al fuego, de la altura efectiva del agua en la pared y de la cantidad de calor absorbido.

Con frecuencia es necesario instalar tubos de bajada externos o internos sin calefaccin, para evitar deterioros en la zona de transicin.

Los tubos externos de bajada se requieren cuando la envolvente del hogar o pared de agua est formada por una sola hilera de tubos.

Ventajas:

Bajo riesgo de explosin fuerte Mejor ttulo del vapor Rendimientos elevados Colocacin sencilla del sobre-calentador Circulacin del agua interior definida

Inconvenientes: Menor energa almacenada que en las calderas piro-tubulares

para la misma produccin, an cuando reacciona rpidamente a las variaciones de presin

Mayor costo inicial

Este tipo de caldera compacta se puede clasificar de acuerdo con la forma de la seccin del hogar en tres tipos: A, D y O. en cualquiera de los tres casos la circulacin es natural.

Las calderas de tipo A pueden llegar a producir hasta 125 t/h (requieren montaje en campo) y se caracterizan por ser de diseo de tres tambores (1 superior y 2 inferiores de menor volumen). Su simetra de diseo las hace simples para su montaje y manejo.

El diseo de este tipo tiene un haz vaporizador con mltiples circuitos de tubos simples que comienzan en los tambores inferiores y terminan en el tambor de vapor. La forma de unin de los tubos en ambos tambores es por expansionado.


El factor que determina el espesor de las chapas de los tambores es el dimetro y las distancias entre los agujeros (coeficiente de ligadura). A fin de disminuir este espesor se suelen utilizar tubos de dimetro ms pequeo.

El sobre-calentador puede ser de conveccin o de radiacin.

A este tipo de calderas pertenecen las calderas marinas de dos hogares con vapor sobrecalentado (Fig. 3.10).

Las calderas del tipo D llegan a producir 74 t/h (Fig. 3.11). constan de un tambor inferior y de un tambor superior de vapor.


Al alojar el sobre-calentador en el paso de conveccin (sobre-calentador de conveccin) mejora la circulacin de la caldera.

Este tipo de caldera es el ms usado por los fabricantes como caldera acuo-tubular tipo compacta (package) para quemar petrleo pesado, gas o combinacin de ambos.

Caldera Foster Wheeler tipo D

Las calderas de tipo O son simtricas como las de tipo A y, asimismo, pueden llegara producir 75 t/h.

El sobre-calentador es de tipo radiante.

Al igual que las anteriores, se usan para quemar cualquier tipo de combustible lquido, gaseoso o combinacin a ambos.


1.4.- Calderas de Pozo ( Tank Type Boilers )

De este tipo de calderas encontraremos una variedad muy grande a bordo de las naves de la marina mercante, en especial para el uso auxiliar ,( que no proveen vapor para la propulsin de la nave) como ser proveer vapor para bombas de varios tipos ( lastre, sentinas, descarga y barrido de petroleros, calefaccin de combustibles pesados, calefaccin de petrleo carga, para propulsar varios tipos de maquinas instaladas en cubierta, winches, cabrestantes, molinetes, etc. O para el uso domestico, como ser vapor para calefaccin de camarotes, calefaccin de agua, etc.

Estas calderas se construyen generalmente de una combinacin de una parte de tubos de fuego y otra de tubos de agua. Su produccin de vapor generalmente no supera las 20 ton/hr. de vapor. Su presin de trabajo puede llegar a unos 17 Bar, aunque las de mayor uso fluctan alrededor de los 7 Bar de presin de trabajo.

Se distinguen dos grupos de estas calderas: a.- Horizontales b.- Verticales

1.4.1.- Calderas de Pozo Horizontales


Sin lugar a dudas la mas conocida de este tipo es la SCOTCH o Caldera multi-tubular cilndrica, cuyo diseo se ha mantenido casi inalterado desde el 1900. Sus mayores cambios han consistido en que su carcasa ya no es remachada, sino soldada y que su presin de trabajo se ha aumentado de 6 hasta 17 Bar en la actualidad. Esta caldera tambin fue de uso principal, es decir para proveer vapor de propulsin para naves mercantes de pequeo y mediano tamao. Esta caldera esencialmente consta de uno hasta tres fogones cilndricos horizontales. Estos fogones son construidos de plancha de acero coarrugados, esto permite una dilatacin elstica de este al variar su temperatura.Posee dos placas de tubos , por las que se instalan una serie de tubos de fuego soldados a estas placas que a su vez son fijadas con varios tubos denominados Tubos Estay que van hechos firme con terminales roscados. Todos estos elementos van encerrados por una carcasa que contendr el agua y en uno de sus extremos cuenta con una caja de humos. Se muestran algunos tipos a continuacin en Fig 3.11.

1.4.2 Calderas de Pozo Verticales

De este tipo tenemos una variedad muy grande de modelos, que bsicamente consisten de una carcasa cilndrica dispuesta verticalmente, en su parte inferior contiene un fogon muchas veces de forma semiesferica a la cual en muchos modelos se le colocan tubos de fuego de regular dimetro, 150 a 200 mm y en su interior se fijan tubos de agua los cuales para facilitar la conduccin del calor del fogn llevan una serie de aletas soldadas a este tubo. De este tipo son las fabricadas por Sunrod. Tambin las hay en que el fogn contiene un gran tubo de humos que conduce el flujo de fuego a travez de un haz tubular.

De este tipo de calderas tambin encontramos una serie mixta en que durante la navegacin hacemos pasar los gases de escape del motor propulsor por ella y recuperamos ese calor para calentar el agua y producir vapor. En puerto nuevamente usaremos un quemador de petrleo para ello.

A continuacin se muestran varias figuras con algunos de los tipos de calderas de pozo verticales, que muestran las ms comnmente existentes a bordo


1.5.- Control

1.5.1.- Regulacin de combustin

Generalmente se usa la regulacin llamada modulante que en funcin de la presin de vapor, posiciona la vlvula de control de combustible y el servomotor del ventilador

Suele utilizarse la denominada de un elemento mediante un controlador que posiciona la vlvula del control de alimentacin en funcin del nivel detectado en la caldera.

1.5.2.- Seguridades

Habitualmente, se encuentran en una caldera de este tipo las siguientes seguridades:

Bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel que provoca una alarma y en Calderas auxiliares el corte de combustible, que exige una accin manual para la puesta en servicio.

Muy bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel independiente del anterior que genera una alarma y un corte de combustible. Exige accin manual para su posterior puesta en servicio.

Alto nivel de agua. Se detecta por un limitador que genera una alarma ptica y acstica. Provoca la parada de bombas de agua de alimentacin.

Alta presin de vapor. Se detecta por un presstato setiado a una presin inferior a la de disparo de las vlvulas de seguridad. Acta sobre el corte de combustible parando la combustin, requirindose una accin manual para nueva puesta en servicio.

Fallo de llama o de la celda fotoelctrica. Se detecta por la celda fotoelctrica instalada en el quemador. Provoca una alarma y un corte de combustible, requirindose una accin manual para nueva puesta en servicio.


Baja temperatura de combustible (cuando se quema petrleo pesado). Se detecta por un termostato colocado en la tubera de llegada al quemador. Provoca una alarma sonora y visible.

Fallo de corriente elctrica. Provoca una alarma y un corte de combustible, requirindose una accin manual para nueva puesta en servicio.

Falla en la presin de aire para la combustin. Provoca una alarma y un corte de combustible, requirindose una accin manual para nueva puesta en servicio.

Falla en la bomba de alimentacin. Provoca una alarma y un corte de combustible, requirindose una accin manual para nueva puesta en servicio.

Vlvulas de seguridad.Fig.3.22, La prctica habitual y lo que recomiendan las Sociedades de Clasificacin en que se colocan 2 en el colector de vapor de la caldera y al menos una (1) en el sobre-calentador (si existe). Las vlvulas de seguridad se ajustan a una presin cercana a la presin de trabajo de la Caldera, pero no sobrepasando un tres (3%) por ciento por sobre la presin de trabajo con un mximo recomendado de no ms de 0,21 Kg/cm2, y la gama completa de ajustes de la presin de todas las vlvulas de seguridad de vapor saturado en una caldera no exceder de un diez (10%) por ciento de la presin mxima a la que se fija cualquier vlvula. Al calibrar la apertura de las vlvulas de seguridad ubicadas en el colector de vapor, primero se ajusta una a la mayor presin y luego la siguiente a un poco menos presin. En el Bitcora de Maquinas se registraran estas presiones. Importante: Estas vlvulas debern ser montadas directamente al colector de vapor de la caldera y/o al ducto de vapor sobrecalentado, esto es no debern tener vlvulas de incomunicacin ni otras derivaciones.

1.5.3.- Equipos auxiliares


Indicadores de nivel. Se suelen situar dos (2) indicadores independientes, donde se indican de forma visible los distintos niveles de seguridad (alto, bajo y muy bajo). Llevan convenientemente instalados los grifos de comunicacin (con dispositivo de cierre) y grifos de purga.


Equipo de combustin. Compuesto por quemador y moto-ventilador de aire comburente como equipo compacto (aplicable lo indicado en el item.1.3 o 1.4).

Grupo de preparacin de combustible. Lo comprenden filtros, calentadores, purificadores, clarificadores, vlvulas de control de flujo, etc.

Motobombas de agua de alimentacin (1 de reserva), con sus correspondientes vlvulas de aislamiento, by-pass, manmetros, etc.

Manmetros y termmetros en los diferentes fluidos.( ver Fig. 3.21)

Tuberas para inyeccin de reactivos qumicos y para purga.


1.6.- Generacin de vapor en buques con propulsin por motores de combustin interna.

1.6.1.- Calderas de Recuperacin de Calor de Gases de Descarga (Exhaust Gas Boilers)

Las plantas generadoras de vapor a bordo de buques con propulsin diesel se caracterizan por tratar de cubrir sus necesidades energticas a partir del calor sensible de los gases de escape del motor principal, y, cuando esto no es posible, complementarlo quemando combustible. En la figura se representan las cinco soluciones ms comunes.

En la mayora de los buques de carga, las necesidades de vapor se cubren de sobra mediante la recuperacin del calor sensible de los gases de escape del motor. Las soluciones usuales corresponden a las opciones a, b y c de la figura, que tiene la circulacin natural.

Estas calderas consisten fundamentalmente de una carcasa y una serie de tubos de agua en que por su exterior pasan los gases de escape del motor Diesel de propulsin y entregan su calor antes de escapar a la atmosfera. La temperatura de los gases de escape de un motor Diesel oscilan entre los 350 y 600 grados Centgrados, temperatura y caudal de gases suficientes para producir todo el vapor necesario durante la navegacin.

Si, efectivamente las necesidades de vapor son mnimas, una caldera mixta, solucin a, es suficiente. En este caso el haz convectivo se calienta durante los periodos de navegacin con los gases de escape del motor y en puerto mediante un quemador. Probablemente sea la solucin ms econmica, pero tiene el inconveniente que no permite el calentamiento simultneo con ambas fuentes de calor.

La solucin b corresponde a una caldera compuesta, en ella las superficies de calefaccin para los gases de escape del motor y la de los gases de la


combustin de la propia caldera son distintos, pudindose combinar simultneamente todas las posibilidades de calefaccin que ofrece. Para necesidades de calefaccin comprendidas entre 1 t/h y 4 t/h es la solucin ptima desde el punto de vista econmico porque cubre prcticamente todas las necesidades de vapor durante la navegacin aprovechando nicamente los gases de escape del motor; en puerto o en las puntas de demanda utiliza los quemadores.


1.6.2.- Sistemas de recuperacin del calor de los gases de escape de los Motores Diesel.

La solucin c representa una mayor seguridad de suministro, por la redundancia que supone la doble caldera. Tiene un mayor coste inicial y de mantenimiento.

Al incrementarse las necesidades de vapor durante la navegacin se hace necesario recurrir a la circulacin forzada, soluciones d y e.

La opcin e se aplicara bsicamente a los petroleros, en ella se dispone de un economizador y un sobrecalentador para conseguir una recuperacin mxima del calor sensible. El economizador se aparta del economizador convencional ya que hace circular agua subenfriada en vez de agua de alimentacin. La razn es que cuando desaparece la demanda de vapor, en una caldera clsica, los fuegos se apagan y el regulador de agua corta la alimentacin de agua al economizador, mientras que en caso del esquema e, al cesar la demanda de vapor, el economizador se quedara sin circulacin de agua interior mientras los gases de escape continan calentndolo, esto hara que se formase una bolsa de vapor en su interior con el agua estancada. Cuando volviese a surgir la demanda se abrira de nuevo la vlvula del regulador del agua de alimentacin, disminuyendo bruscamente la presin en el economizador, con formacin adicional de vapor, dando lugar a un rgimen transitorio con inestabilidades y choques trmicos.

Cuando se desea una recuperacin mxima del calor sensible aparece una limitacin en la temperatura de funcionamiento para no alcanzar el punto de roco de los cidos derivados del azufre (sulfrico, sulfhdrico, sulfuroso, etc.), que surgen como consecuencia del contenido de azufre de los combustibles y que salen con los humos .

Los esquemas de circulacin forzada se basan, por tanto, en una alimentacin directa al caldern de la caldera de quemadores, circulando agua extrada de la parte inferior del mismo y a una temperatura variable, segn la demanda de vapor. Circula, por tanto, una mezcla de agua saturada y agua fra de alimentacin.


Probablemente sean los petroleros los buques que ms demandan el vapor, ya que lo necesitan para distintas funciones especficas, como pueden ser la calefaccin de la carga, la descarga y limpieza de tanques. Esto les exige una planta generadora de vapor de cierta importancia, aunque su propulsin principal sea diesel. Si la propulsin principal fuese el vapor se suelen utilizar los generadores de doble evaporacin o vapor/vapor. Estos consisten bsicamente en un intercambiador de calor en el que se emplea como fluido calefactor el vapor vivo procedente de las calderas principales, mientras que el vapor secundario obtenido se emplea, en general, para aquellos servicios donde exista el riesgo de contaminacin.

Los componentes de una caldera de doble evaporacin son, por tanto, un generador de alta presin (unos 40 bar), un intercambiador de calor, donde a partir del agua, no siempre de muy buena calidad, se produce vapor de baja presin (unos 12 bar o incluso ms) y finalmente puede existir un sobrecalentador para el vapor de baja presin, calentado con los gases de escape del generador principal de alta presin.

Como es sabido, la totalidad de las calderas propulsoras procedentes de los Estados Unidos, y un gran porcentaje de las europeas han sido las llamadas de dos colectores o tipo D (por la forma que describen los tubos), desarrolladas durante los aos 1930 1940 y ampliamente aplicadas en las dcadas de 1950 y 1960. Estas calderas suelen quemar combustibles residuales (ms baratos) con contenidos importantes de azufre (corrosin en la zona de bajas temperaturas) y vanadio (corrosin en la zona de altas temperaturas).

Otro tipo similar de caldera es la llamada de tipo A, que consta de un caldern o colector de vapor y dos colectores inferiores de agua.

El control de las plantas generadoras de vapor anteriores exige una regulacin tanto de las caloras cedidas por los gases de escape como del caudal del combustible a quemar, adems del nivel de agua en el caldern de vapor. Todos estos controles se pueden conseguir por los siguientes mtodos:

1. Mediante bypass de los gases de escape. 2. Variando la superficie efectiva de intercambio de calor. 3. Variando la presin de trabajo del vapor. 4. Variando la temperatura del agua de circulacin.


5. Variando el caudal del agua de circulacin. 6. Condensando el exceso de vapor en un condensador auxiliar.

El fundamento fsico de los mtodos tercero y cuarto es que la transmisin del calor es proporcional a la diferencia media logartmica de temperatura entre el fluido caliente y el fro, y que esta diferencia vara con la presin del vapor saturado y con la temperatura del agua de circulacin a la entrada del intercambiador de calor o caldereta.

Las instalaciones correspondientes a los esquemas a y b de la figura, slo admiten el primer mtodo de regulacin. De todas formas es esencial tener en cuenta las necesidades mnimas.

de vapor, que pueden ser nulas, pues no conviene que alguna placa tubular quede sin circulacin (refrigeracin), por lo que resulta prcticamente obligado disponer de un pequeo condensador auxiliar que asegure un cierto consumo a un nivel mnimo (mtodo quinto).

En los caso de circulacin forzada (esquemas d y e de la figura) todos los mtodos son aceptables, siendo el primero la solucin ms simple. Sin embargo, para los grandes petroleros, el elevado caudal de gases hace que esta solucin no se haya adoptado habitualmente, sino ms bien el mtodo segundo, o una combinacin del tercero y el cuarto. Siempre se dispone, adems, de un condensador auxiliar para cuando la demanda de vapor sea mnima.

El mtodo tercero presenta el inconveniente prctico de tener que trabajar con una presin de vapor variable. El cuarto est basado en un cambio de la temperatura del agua de circulacin a la entrada de la caldera. Su margen de regulacin es muy pequeo y por ello se usa en combinacin con el mtodo tercero.

Desde el punto de vista de la complejidad del sistema de regulacin el mtodo primero es el ms simple, mientras que la combinacin del tercero y el cuarto resulta la ms complicada. El mtodo segundo es el intermedio, pero presenta el inconveniente de una mayor posibilidad de formacin de depsitos en el interior de los tubos debido a la evaporacin rpida que se produce despus de cerrar las vlvulas automticas de control, por lo que si se utiliza este mtodo se deben cuidar muy bien la calidad de las aguas que se usen.


1.7.- Elementos auxiliares de las Calderas.

1.7.1.- Sobre-calentadores

La produccin de vapor a temperaturas superiores a la de saturacin recibe el nombre de sobrecalentamiento. La temperatura agregada se llama grado de sobrecalentamiento. Las condiciones de ste se expresan, ya sea indicando la temperatura real, o bien los grados de sobrecalentamiento para una presin determinada.

Para la produccin de este vapor sobrecalentado se utilizan los sobrecalentadotes. Estos elementos estn comunicados con el tambor de vapor del que reciben vapor saturado y con la turbina a la que envan el vapor sobrecalentado.

Para su perfecto diseo es necesario conocer en todos sus puntos la temperatura mxima de metal para as usar el material ms adecuado.

En cuanto a su constitucin, pueden ser horizontales (Fig. 3.15) o verticales (Fig. 3.16).


1.7.2 Recalentadores

Despus de haberse expansionado en la turbina el vapor sobrecalentado, con el objeto de aumentar el rendimiento del ciclo antes de que la temperatura


del vapor sobrecalentado llegue al valor de saturacin correspondiente a la presin ms baja, se vuelve a sobrecalentar (recalentar) en los recalentadores. Una representacin elemental de un ciclo aparece en la Fig. 3.17

1.7.3 Atemperadores

Su misin es la de reducir la temperatura de salida del vapor primario mediante la introduccin de agua fra procedente de las bombas de agua de alimentacin, o de vapor saturado del caldern (si es del tipo de inyeccin), o mediante la colocacin del mismo en el tambor inferior (si es del tipo de superficie) antes de la entrada del vapor en el sobre-calentador secundario. En la Fig. 3.19 se muestra un atemperador de inyeccin que es el ms utilizado.

Se colocan generalmente entre los sobrecalentadotes o recalentadores primario y secundario.


1.7.4 Influencia de la radiacin y de la conveccin

Los primeros sobre-calentadores y recalentadores que se instalaron en las calderas fueron del tipo de conveccin, ya que se situaban en reas fras de la caldera donde la transmisin de calor por radiacin era pequea. En una disposicin de este tipo, la temperatura del vapor a la salida del sobre-calentador se incrementa con la carga de la caldera a causa de la disminucin del porcentaje del calor que es absorbido en el hogar, quedando ms calor disponible para la absorcin por el sobre-calentador. Como la cantidad de calor transferida por conveccin es casi una funcin directa de la carga de la caldera, la absorcin total en el sobre-calentador por kg. De vapor aumenta con el incremento de la carga de la caldera.

Este fenmeno se representa en la Fig. 3.20

Este efecto es ms pronunciado cuanto ms alejado est el sobre-calentador del hogar.

El sobre-calentador radiante recibe la mayor parte del calor por radiacin. Como la absorcin de calor por las paredes del hogar no aumenta en


proporcin directa con la carga de la caldera la curva de sobrecalentamiento radiante disminuye con el aumento de la carga.

Generalmente, con el objeto de obtener una curva lo ms plana posible en una gran parte del rango de funcionamiento de la caldera se colocan ambos tipos de sobrecalentadotes en serie.

1.8.- Condiciones que debe cumplir una caldera

Las condiciones que debe reunir una caldera se resumen en los siguientes requerimientos:

1. Construccin robusta y compensadora de dilataciones. 2. Tambor (Colector) de recogida de impurezas del agua (fangos), con el fin

de que estas impurezas no queden sometidas a la accin del fuego. 3. Suficiente capacidad de agua y de vapor de forma que pueda absorber

fluctuaciones en la demanda de vapor. 4. Relacin superficie de vaporizacin/capacidad de vaporizacin adecuada

en orden a evitar la formacin de espumas. 5. Las juntas de dilatacin no deben estar expuestas a la accin del fuego. 6. La cmara de combustin ha de ser tal que la combustin sea completada

antes de que los gases pasen a los recuperadores. 7. Disposicin de las superficies de transferencia con respecto al flujo de

gases tal que se obtengan buenos coeficientes de conveccin. 8. Facilidad de limpieza de superficies para aumentar la seguridad y la

economa. 9. Elasticidad de funcionamiento. 10. Estar provista de los equipos auxiliares necesarios para garantizar la

medida, seguridad y control. 11. En la operacin de las calderas, cualquiera sea su tipo se deber observar

muy cuidadosamente la alimentacin de agua. Esto significa que se deber evitar el uso de agua potable para la alimentacin. Se deber tener una adecuada cantidad de agua destilada, libre de sales, residuos slidos metlicos u orgnicos, y almacenada en estanques exclusivos para el uso en calderas, ya que esta no podr ser utilizada para el consumo humano o domestico. Tambin se deber contar con un conveniente laboratorio que nos permita monitorear permanentemente la calidad del agua en la caldera y contar con adecuados compuestos qumicos que nos permitan corregir desvos en la calidad de esta. El agua de alimentacin de calderas durante su paso por las distintas maquinas y circuitos se exponen a


contaminarse con aceite lubricante, grasas, xidos metlicos, residuos slidos, etc. que alteraran sin lugar su calidad de destilada, y que significara sin lugar a dudas en el caso de contener sales a producir incrustaciones, en otros casos a acidificarse, produciendo peligrosas corrosiones con disminucin de espesores en los tubos o colectores. Los colectores de lodo debern ser purgados peridicamente, al menos una vez por cuarto de guardia tal que se descarguen estos slidos precipitados. ( los aditivos qumicos de tratamiento de aguas favorecen estas precipitaciones en slidos).

CAPITULO 2.-

Tratamiento de Agua para Calderas

2.0.- En el presente capitulo se analiza la importancia que el tratamiento de agua tiene en la vida til, eficiencia y seguridad en la operacin de las calderas industriales; se entregan adems recomendaciones para la definicin de programas de tratamiento de agua y se explica cmo detectar los problemas ms frecuentes.

2.1. Introduccin El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental para asegurar una larga vida til libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia y accidentes. El objetivo principal del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosin e incrustaciones, asegurando la calidad del agua de alimentacin y del agua contenida en la caldera. El aseguramiento de la calidad del agua de alimentacin y agua de la caldera se consigue cumpliendo con los requerimientos de las normas, que definen los lmites recomendados para los parmetros involucrados en el tratamiento del agua. 2.2. Fuentes de Agua Agua primaria es la que no ha recibido ningn tipo de tratamiento y por lo tanto contienen impurezas, adquiridas durante el ciclo al que han sido sometidas, que impiden su Las fuentes de agua corresponden a toda aquella agua (ros, lagos, ocanos, utilizacin directa en una caldera.

El ciclo del agua, mostrado en la figura n1, indica que la humedad atmosfrica resulta de la evaporacin de las fuentes de agua, la que luego al condensarse precipita en forma de lluvia, granizo o nieve, absorbiendo gases y otras


substancias descargadas por el hombre a la atmsfera. Esta situacin es la de que la lluvia contenga una gran cantidad de impurezas al causa momento de entrar en contacto con la tierra.

A medida que el agua fluye por sobre la superficie de la tierra o se filtra a travs de las capas de sta, continua atrapando o disolviendo impurezas del suelo, minerales por los que atraviesa. As es como agua aparentemente cristalina, proveniente de lagos, ros y vertientes, puede tener un elevado contenido de slidos disueltos. Las impurezas encontradas con mayor frecuencia en las fuentes de agua, figuran las siguientes los slidos en suspensin, lquidos no mezclables con agua (ej. aceite), colorantes, bacterias y otros microorganismos, sustancias semi-coloidales, gases disueltos, sales minerales disueltas (cationes, aniones y slice).

2.3.-Ciclo de agua

3. Parmetros Tratamiento de Agua Los principales parmetros involucrados en el tratamiento del agua de una caldera, son los siguientes: pH. El pH representa las caractersticas cidas o alcalinas del agua, por lo que su control es esencial para prevenir problemas de corrosin (bajo pH) y depsitos (alto pH). Dureza. La dureza del agua cuantifica principalmente la cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la formacin de depsitos e incrustaciones difciles de remover sobre las superficies de transferencia de calor de una caldera.


Oxgeno. El oxgeno presente en el agua favorece la corrosin de los componentes metlicos de una caldera. La presin y temperatura aumentan la velocidad con que se produce la corrosin. Hierro y cobre. El hierro y el cobre forman depsitos que deterioran la transferencia de calor. Se pueden utilizar filtros para remover estas sustancias. Dixido de carbono. El dixido de carbono, al igual que el oxgeno, favorece la corrosin. Este tipo de corrosin se manifiesta en forma de ranuras y no de tubrculos como los resultantes de la corrosin por oxgeno. La corrosin en las lneas de retorno de condensado generalmente es causada por el dixido de carbono. El CO2 se disuelve en agua (condensado), produciendo cido carbnico. La corrosin causada por el cido carbnico ocurrir bajo el nivel del agua y puede ser identificada por las ranuras o canales que se forman en el metal. Aceite. El aceite favorece la formacin de espuma y como consecuencia el arrastre al vapor. Fosfato. El fosfato se utiliza para controlar el pH y dar proteccin contra la dureza. Slidos disueltos. Los slidos diosueltos la cantidad de slidos (impurezas) disueltas en al agua. Slidos en suspensin. Los slidos en suspensin representan la cantidad de slidos (impurezas) presentes en suspensin (no disueltas) en el agua. Secuestrantes de oxgeno. Los secuestrantes de oxgeno corresponden a productos qumicos (sulfitos, hidrazina, hidroquinona, etc.) utilizados para remover el oxgeno residual del agua. Slice. La slice presente en el agua de alimentacin puede formar incrustaciones duras (silicatos) o de muy baja conductividad trmica (silicatos de calcio y magnesio). Alcalinidad. Representa la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidrxidos y silicatos o fosfatos en el agua. La alcalinidad del agua de alimentacin es importante, ya que, representa una fuente potencial de depsitos. Conductividad. La conductividad del agua permite controlar la cantidad de sales (iones) disueltas en el agua.

2.4.-Requerimientos Agua Alimentacin y Caldera

Sobre al base de las recomendaciones de la Norma Britnica BS 2486, la ABMA (American Boiler Manufacturing Association) y el TV, se han preparado las siguientes tablas que muestran los requerimientos que deber satisfacer el agua de alimentacin y el agua de una caldera para prevenir incrustaciones y corrosin en calderas de baja presin (hasta 10 bar).

PARAMETRO VALOR REQUERIDO Dureza total < 2 ppm Contenido de O2 < 8ppb


CO2 < 25 mg/l Cont. Total hierro < 0,05 mg/l Cont. Total cobre


A continuacin se describe en que consiste cada uno de estos tipos de corrosin, cules son los factores que la favorecen, que aspecto tiene y de que manera pueden ser prevenidas

2.5.1.1 Corrosin por Oxgeno o Pitting. La corrosin por oxgeno consiste en la reaccin del oxgeno disuelto en el agua con los componentes metlicos de la caldera (en contacto con el agua), provocando su disolucin o conversin en xidos insolubles.

Los resultados de este tipo de corrosin son tubrculos de color negro, los que se forman sobre la zona de corrosin, tal como lo muestra la figura n2.

Figura N 2: Corrosion por Oxigeno o Pitting

Dado que la corrosin por oxgeno se produce por la accin del oxgeno disuelto en el agua, esta puede producirse tambin cuando la caldera se encuentra fuera de servicio e ingresa aire (oxgeno).

La prevencin de la corrosin por oxgeno se consigue mediante una adecuada desgasificacin del agua de alimentacin y la mantencin de un exceso de secuestrantes de oxgeno en el agua de la caldera.

2.5.1.2 Corrosin Custica.


La corrosin custica se produce por una sobre-concentracin local en zonas de elevadas cargas trmicas (fogn, cmara trasera, etc.) de sales alcalinas como la soda custica.

Este tipo de corrosin se manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al pitting por oxgeno, rellenas de xidos de color negro, presentes solamente en las zonas de elevada liberacin trmica (fogn, placa trasera y cmara trasera) de una caldera. La corrosin custica puede ser prevenida manteniendo la alcalinidad, OH libre y pH del agua de la caldera dentro de los lmites recomendados en el punto 4.

Figura N 3 Corrosion Caustica en fogn de una Caldera

2.5.1.3 Corrosin Lneas Retorno Condensado Las lneas de retorno de condensado, lgicamente no forman parte de una caldera, sin embargo, su corrosin tiene efectos sobre las calderas y puede ser prevenida con el tratamiento de agua.

La corrosin de la las lneas de retorno de condensado tiene efectos sobre una caldera, ya que, los xidos (hematita) producidos son arrastrados a la caldera con el agua de alimentacin. Toda caldera cuyo lado agua tiene un color rojizo presenta problemas de corrosin en las lneas de retorno de condensado.


La corrosin en las lneas de retorno de condensado se produce por la accin del cido carbnico que en stas se forma.

La prevencin de la corrosin en las lneas de retorno de condensado, puede ser conseguida mediante aminas neutralizantes que neutralizan la accin del cido carbnica y aminas flmicas que protegen las lneas.

Estas aminas son voltiles por lo que al ser dosificadas a las lneas de alimentacin de agua, son arrastradas por el vapor producido en la caldera.

2.5.2 Incrustaciones

Las incrustaciones corresponden a depsitos de carbonatos y silicatos de calcio y magnesio, formados debido una excesiva concentracin de estos componentes en el agua de alimentacin y/o regmenes de purga insuficientes.

En la figura n4 es posible observar la corrida superior de los tubos de humo de una caldera con incrustaciones de espesores superiores a los 8 mm.

La accin de dispersantes, lavados qumicos o las dilataciones y contracciones de una caldera pueden soltar las incrustaciones, por lo que deben ser eliminadas de una caldera muy incrustada para prevenir su acumulacin en el fondo del cuerpo de presin, tal como lo muestra la figura n5.

En el caso de que estas incrustaciones no sean removidas, se corre el riesgo de embancar la caldera y obstruir las lneas de purga de fondo, con lo que el problema puede tornarse an ms grave.


Figura N 4: Incrustaciones en tubos de humo.

La presencia de incrustaciones en una caldera es especialmente grave debido a su baja conductividad trmica acta como aislante trmico, provocando problemas de refrigeracin de las superficies metlicas y puede llegar a causar daos por sobe-calentamiento.

En la figura n6 se muestra el efecto del espesor de la capa de incrustaciones de una caldera, en la temperatura del metal. A medida que aumenta el espesor de la capa de incrustaciones, para un mismo flujo de calor, aumenta la temperatura del metal.

La formacin de incrustaciones en una caldera puede ser prevenida, satisfaciendo los requerimientos del agua de alimentacin y agua de la caldera incluidos en el punto 4, tratando el agua de alimentacin y manteniendo adecuados regmenes de purga.

Figura N 5 : Acumulacin de incrustaciones en fondo cuerpo de presin Caldera


Figura N 6: Efecto de incrustaciones y flujo de calor en la temperatura del metal

2.5.3 Arrastre de Condensado

El arrastre de condensado en una caldera tiene relacin con el suministro de vapor hmedo (con gotas de agua). El suministro de vapor hmedo puede tener relacin con deficiencias mecnicas y qumicas.

Las deficiencias mecnicas tienen relacin con la operacin con elevados niveles de agua, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas trmicas, variaciones bruscas en los consumos, etc.

Por otro lado las deficiencias qumicas tienen relacin con el tratamiento de agua de la caldera, especficamente con excesivos contenidos de alcalinidad, slidos totales (disueltos y en suspensin) y slice, que favorecen la formacin de espuma.


Figura N 7: Arrastre de condensado por excesiva concentracin de slidos. Para prevenir el arrastre debido a deficiencias en el tratamiento de agua, se recomienda mantener los siguientes lmites de los contenidos de alcalinidad, slidos totales y slice:

Alcalinidad total (CaCO3) < 700 ppm Contenido de slice (SiO2) < 150 ppm Slidos disueltos < 3500 ppm

En la figura n7 se muestran una vista interior de la cmara de vapor de una caldera, en cuyas paredes se nota la irregularidad del nivel de agua provocada por un excesivo contenido de slidos en el agua.

2.6. Equipos Tratamiento de Agua

En la figura n8 se muestran los equipos que intervienen en el tratamiento de agua de una planta trmica.

En la anterior figura se muestran ablandadores, bombas dosificadoras y un desgasificador con su respectiva estanque de almacenamiento de agua.


Figura N 8: Equipos tratamiento de agua para Calderas

2.6.1 Ablandadores

La funcin de los ablandadores es eliminar los iones de Ca y Mg, que conforman la dureza del agua y favorecen la formacin de incrustaciones en una caldera.

Figura N 9: Ablandadores


El principio de funcionamiento de estos equipos se basa en un proceso llamado intercambio inico, que consiste en la sustitucin de estos iones por sodio (Na) para obtener agua para ser utilizada en calderas.

Los ablandadores estn compuestos por resinas, que poseen una capacidad de intrecambio de iones de calcio y magnesio por sodio.

Agua Dura Resina Agua Blanda Ca(HCO3)2 Mg(HCO3)2 CaSO4 NaHCO3 MgSO4 + R Na ----> Na2SO4 CaCl2 NaCl MgCl2 NaCl

En el caso de que la capacidad de entrega de agua blanda de estos equipos se vea disminuida (agua entregada con dureza mayor a 6 ppm expresada como CaCO3), es necesario llevar a cabo una regeneracin para recuperar la capacidad de intercambio de las resinas. La regeneracin es realizada con sal sdica (NaCl) de calidad tcnica con una concentracin de 150 a 250 gr/l de resina.

2.6.2 Desgasificador

La funcin de un desgasificador en una planta trmica es eliminar el oxgeno y dixido de carbono disuelto en el agua de alimentacin de las calderas para prevenir problemas de corrosin o pitting.

En la figura n10 se muestra el arreglo tpico de los desgasificadores generalmente utilizados para eliminar los gases disueltos del agua de alimentacin de las calderas.

El principio de funcionamiento de los desgasificadores se basa en el hecho que la solubilidad de los gases disueltos en el agua (O2 y CO2) disminuye cuando el agua est en el punto de ebullicin (100 C a presin atmosfrica), tal como lo muestra la figura n11.


Figura N 10; Desgasificador

La torre de los desgasificadores est compuesta por bandejas y/o boquillas en las que se aumenta la superficie del agua alimentada, formando cascadas o atomizndola para favorecer la liberacin de los gases disueltos.

El agua que desciende por la torre es calentada hasta la temperatura de ebullicin por vapor alimentado en contraflujo. La cantidad de vapor alimentada a la base del desgasificador es controlada por una vlvula reductora de presin, encargada de mantener la presin de ebullicin del agua.

Tambin existe una vlvula termosttica que controla la cantidad de vapor alimentada al estanque de almacenamiento para mantener el agua a la temperatura de ebullicin.

Los gases descargados por el agua son eliminados a travs del venteo existente en la parte superior de la torre.


Figura N 11: Solubilidad del Oxigeno en funcin de la temperatura del agua.

2.6.3.- Purgas Automticas

Las purgas automticas utilizadas generalmente en calderas son las purgas automticas de fondo y las purgas automticas de superficie.

La purga automtica de fondo (6) est compuesta por una vlvula con un


actuador y un temporizador en el que se programan los ciclos de purgas (cantidad y duracin) de fondo requeridas por el tratamiento de agua utilizado en la caldera.

La purga de fondo automtica permite realizar en forma automtica las tareas de purga, que debe efectuar el operador en forma manual.

Figura N 12: Purgas automticas para Calderas

La purga automtica de superficie (3) est compuesta por un sensor de conductividad, una vlvula con actuador y un controlador. El sensor de conductividad mide la conductividad del agua de la caldera (slidos disueltos) y enva esta informacin al controlador. El controlador compara esta medicin con el valor de conductividad mxima programado, para luego abrir o cerrar la vlvula de purga segn los resultados de esta comparacin.

La purga automtica de superficie permite mantener en forma automtica los ciclos de concentracin requeridos por la caldera. La instalacin de este tipo de purgas en una caldera permite obtener ahorros (referencia ahorro = 1,5 %) de energa (combustible) por cuanto se elimina por la purga solo la cantidad de agua necesaria para satisfacer los requerimientos del tratamiento de agua.


2.7.- Productos Qumicos Tratamiento

Los productos qumicos utilizados generalmente en calderas son los secuestrantes de oxgeno, dispersantes, anti-incrustantes, protectores y neutralizantes para las lneas de retorno de condensado.

La dosificacin de los productos qumicos debe ser realizada al estanque de almacenamiento de agua, en el caso de los secuestrantes de oxgeno, que son ms efectivos mientras mayor es su tiempo de residencia en el agua antes de llegar a la caldera y a la lnea de alimentacin de agua en el caso de los dispersantes, anti-incrustantes y tratamiento para las lneas de retorno de condensado.

2.8.- Ciclos de Concentracin

Los ciclos de concentracin de las impurezas presentes en el agua de una caldera determinan los requerimientos de purga necesarios para prevenir problemas de corrosin y/o incrustaciones.

Las purgas son necesarias, ya que, al producirse la evaporacin del agua los slidos disueltos en el agua permanecen en la caldera, pudiendo llegar a concentrarse por sobre su solubilidad y precipitar formando incrustaciones. La definicin de los ciclos de concentracin con los que debe trabajar una caldera se realiza a partir del anlisis del agua de alimentacin de la caldera y los parmetros recomendados en el punto 2.

Los ciclos de concentracin de una caldera quedan definidos por la siguiente frmula:

Nc =Cc/Ca

Vapor

Agua Alim Ca

Purga Cc

Donde:

Caldera Cc


Nc : Ciclos de concentracin Ca : Concentracin impurezas en agua de alimentacin Cc : Concentracin impureza en Caldera

Entre las impurezas para las que deben determinarse los ciclos de concentracin figuran las siguientes: Slidos disueltos Slice Alcalinidad Hierro

El ciclo de concentracin utilizado para determinar el rgimen de purgas en la caldera ser el menor de los calculados para las anteriores impurezas.

El control de que el ciclo de concentracin que se mantiene en una caldera es el requerido se realiza mediante la medicin de los cloruros en el agua de alimentacin y agua de la caldera. Los cloruros son utilizados como variable de control, ya que, no participan en el tratamiento de agua y son fciles de medir (mtodo de las gotas: reaccin entre el nitrato de plata y el cloruro, para formar cloruro de plata y producir un cambio de coloracin).

En el caso de contar con un conductivmetro es posible controlar el ciclo de concentracin utilizado, comparando la conductividad del agua de alimentacin con la del agua de la caldera.

Ef. Trmica % 88

86

84

82

80

5 10 15 20 Purga %

Figura N 15: Influencia purga en efectividad trmica de una Caldera


2.9.- Comentarios.

La informacin entregada en el presente capitulo pretende asistir al personal encargado de las Plantas Trmicas y por sobre todo llamar la atencin sobre la importancia del tratamiento de agua de las calderas.

El tratamiento de agua es fundamental en la vida til, la prevencin de accidentes y la operacin eficiente de las calderas.

Solo a travs de tratamientos de agua rigurosos e inspecciones peridicas, por parte de especialistas, es posible asegurar la efectividad en la proteccin de las calderas.

Capitulo 1 y 2.-Calderas Codigo

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