Curso Operador 00

CURSO

PARA OPERADORES

DE

CALDERAS INDUSTRIALES

Ing. Marcelo A. Silvosa

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TABLA DE CONTENIDO

1. ASPECTOS TÉCNICOS .............................................................................................................................. 1

1.1. MAGNITUDES, UNIDADES Y CONCEPTOS BÁSICOS ................................................................................... 1 1.2. LONGITUD. ............................................................................................................................................... 1 1.3. SUPERFICIE. ............................................................................................................................................. 1 1.4. VOLUMEN. ............................................................................................................................................... 1 1.5. TIEMPO. ................................................................................................................................................... 1 1.6. MASA. ...................................................................................................................................................... 1 1.7. FUERZA. ................................................................................................................................................... 1 1.8. PRESIÓN. .................................................................................................................................................. 1 1.9. TEMPERATURA. ........................................................................................................................................ 3 1.10. ENERGÍA (CALOR). ................................................................................................................................... 4 1.11. POTENCIA. ............................................................................................................................................... 5 1.12. VISCOSIDAD. ............................................................................................................................................ 5 1.13. CAMBIOS DE ESTADO. .............................................................................................................................. 5 1.14. VAPOR DE AGUA. ................................................................................................................................... 10 1.15. VOLUMEN ESPECÍFICO. .......................................................................................................................... 10 1.16. CALOR ESPECÍFICO. ............................................................................................................................... 11 1.17. TRANSMISIÓN DEL CALOR. .................................................................................................................... 12

1.17.1. Conducción ................................................................................................................................... 12 1.17.2. Convección ................................................................................................................................... 13

1.17.2.1. Convección libre o natural ........................................................................................................................ 13 1.17.2.2. Convección forzada .................................................................................................................................. 13

1.17.3. Radiación Térmica ....................................................................................................................... 14

2. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR ............................... 15

2.1. CLASIFICACIÓN ELEMENTAL DE LAS CALDERAS. ................................................................................... 15 2.2. CALDERAS HUMOTUBULARES ................................................................................................................ 16 2.3. CALDERAS ACUOTUBULARES ................................................................................................................ 18 2.4. SOBRECALENTADORES Y RECALENTADORES ......................................................................................... 23

2.4.1. Ventajas del Sobrecalentamiento ...................................................................................................... 23 2.4.2. Tipos de Sobrecalentadores .............................................................................................................. 24

2.4.2.1. De Convección ......................................................................................................................................... 24 2.4.2.2. De Radiación. ........................................................................................................................................... 24 2.4.2.3. Combinados Convección - Radiación. ...................................................................................................... 24 2.4.2.4. De Calentamiento Independiente. ............................................................................................................. 24

2.4.3. Tipos de Recalentadores ................................................................................................................... 24 2.4.4. Problemas y Precauciones en Sobrecalentadores y Recalentadores ............................................... 25

2.4.4.1. Problemas ................................................................................................................................................. 25 2.4.4.2. Precauciones ............................................................................................................................................. 25

2.5. CALDERAS DE FLUIDO TÉRMICO (F.T.) Y AGUA CALIENTE.................................................................... 26 2.5.1. Campos de Aplicación, Comparación con las Instalaciones de Vapor. ........................................... 27

2.5.1.1. Comparaciones entre Instalaciones de Vapor, Agua Sobrecalentada (A.S.C.) y Fluido Térmico (F.T.) .. 27 2.5.1.2. Comparación entre Instalación de Vapor y F.T. ....................................................................................... 27 2.5.1.3. Comparación entre Instalación de Vapor y A.S.C. ................................................................................... 30 2.5.1.4. Comparación entre Instalación de A.S.C. y F.T. ...................................................................................... 30 2.5.1.5. Instalación con Fluido Térmico ................................................................................................................ 30 2.5.1.6. Instalación con Agua Caliente .................................................................................................................. 31

2.6. ACCESORIOS PARA LA OPERACIÓN Y LA SEGURIDAD ............................................................................. 31 2.6.1. Válvulas de Paso. Asiento y Compuerta. .......................................................................................... 31

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2.6.2. Válvulas de Retención. Asiento, Clapeta y Disco. ............................................................................ 32 2.6.3. Válvulas de Seguridad ...................................................................................................................... 33 2.6.4. Válvulas de Descarga Rápida .......................................................................................................... 37 2.6.5. Válvulas de Purga Continua ............................................................................................................. 38 2.6.6. Indicadores de Nivel. Válvulas y Columna ....................................................................................... 38 2.6.7. Controladores de Nivel por Flotador y por Electrodos. .................................................................. 39 2.6.8. Limitadores de Nivel Termostático ................................................................................................... 41 2.6.9. Manómetros y Termómetros ............................................................................................................. 42 2.6.10. Presostatos y Termostatos ............................................................................................................ 44 2.6.11. Célula Fotoeléctrica ..................................................................................................................... 46 2.6.12. Alarmas Ópticas y Acústicas ........................................................................................................ 46

3. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE CALDERAS HUMOTUBULARES. .......................................... 48

3.1. HOGARES LISOS Y CORRUGADOS ........................................................................................................... 48 3.2. CAJA DE HUMOS DEL HOGAR ................................................................................................................. 48 3.3. TUBOS: TIRANTES Y PASADORES ........................................................................................................... 49 3.4. FIJACIÓN DE LOS TUBOS A LAS PLACAS TUBULARES ............................................................................. 49 3.5. ATIRANTADO. BARRAS TIRANTES. VIROTILLOS. CARTELAS. ................................................................. 50 3.6. CAJA DE HUMOS PARA TUBOS ............................................................................................................... 51 3.7. PUERTAS DE REGISTRO: HOMBRE, CABEZA, MANO Y EXPANSIÓN DE GASES ........................................ 51

4. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE CALDERAS ACUOTUBULARES. .......................................... 52

4.1. HOGAR ................................................................................................................................................... 52 4.2. HAZ VAPORIZADOR ............................................................................................................................... 52 4.3. COLECTORES ......................................................................................................................................... 53 4.4. DOMOS .................................................................................................................................................. 54 4.5. FIJACIÓN DE TUBOS A COLECTORES ...................................................................................................... 54 4.6. PUERTA DE INSPECCIÓN Y EXPANSIÓN DE GASES .................................................................................. 54 4.7. CALDERAS VERTICALES. TUBOS FIELD. TUBOS PANTALLA PARA LLAMA .............................................. 55 4.8. CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA. SERPENTINES. SEPARADORES DE VAPOR. ..................... 56

5. EQUIPOS Y ACCESORIOS ADICIONALES PARA CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR. 58

5.1. ECONOMIZADORES ................................................................................................................................. 58 5.2. CALENTADORES DE AIRE ....................................................................................................................... 59 5.3. RECUPERADORES DE CALOR .................................................................................................................. 61 5.4. MOVIMIENTO DEL AIRE Y GASES DE COMBUSTIÓN ................................................................................ 62 5.5. VENTILADORES. TIPOS Y CARACTERÍSTICAS ......................................................................................... 63 5.6. BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN .................................................................................................. 65 5.7. INYECTORES DE AGUA ........................................................................................................................... 66 5.8. TURBINAS PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN ............................................................................................ 66 5.9. CHIMENEAS ........................................................................................................................................... 67

6. COMBUSTIBLES, COMBUSTIÓN Y QUEMADORES ........................................................................ 68

6.1. COMBUSTIBLES ...................................................................................................................................... 68 6.1.1. Petróleo ............................................................................................................................................ 68 6.1.2. Gas Natural. Otros Combustibles Gaseosos. ................................................................................... 69 6.1.3. Carbón .............................................................................................................................................. 71

6.2. LA QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN .......................................................................................................... 71 6.2.1. Definiciones. Gases Formados ......................................................................................................... 71 6.2.2. La Combustión a partir del análisis de los gases ............................................................................. 74 6.2.3. Forma de Conocer el Exceso de Aire con el que Trabaja una Caldera ........................................... 74 6.2.4. Poderes Caloríficos de Combustibles ............................................................................................... 75

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6.2.5. Rendimiento de un Generador de Vapor .......................................................................................... 76 6.2.6. Instrumental para Control y Medición del Rendimiento .................................................................. 78

Medidores de Temperatura ............................................................................................................................................... 78 6.2.7. Analizadores de Gases ...................................................................................................................... 79

6.3. EQUIPOS DE COMBUSTIÓN ..................................................................................................................... 82 6.3.1. Quemadores para Líquidos .............................................................................................................. 83 6.3.2. Quemadores para Gases................................................................................................................... 89 6.3.3. Combustión de sólidos. ..................................................................................................................... 91

7. TRATAMIENTO DE AGUA...................................................................................................................... 94

7.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS .......................................................................................................... 94 7.1.1. Características físicas ....................................................................................................................... 94 7.1.2. Características químicas .................................................................................................................. 94

7.1.2.1. Impurezas de las aguas que afectan a las calderas .................................................................................... 95 7.2. INSTALACIÓN Y NECESIDAD DEL TRATAMIENTO DE AGUA ...................................................................... 96 7.3. CONSIDERACIONES ACERCA DEL TRATAMIENTO DEL AGUA ................................................................... 96 7.4. OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO DEL AGUA .............................................................................................. 97

7.4.1. Tratamientos externos ...................................................................................................................... 97 7.4.2. Tratamientos internos ....................................................................................................................... 98 7.4.3. Purgas de la caldera ......................................................................................................................... 99

7.5. CARACTERÍSTICAS LÍMITES DEL AGUA EN EL INTERIOR DE LAS CALDERAS. PROBLEMAS. ...................... 99 7.6. CÁLCULO DEL CAUDAL DE PURGAS ...................................................................................................... 100

8. OPERACIÓN, MANTENIMIENTO Y CUIDADO DE LAS CALDERAS ......................................... 103

8.1. PRIMERA PUESTA EN MARCHA: INSPECCIÓN DEL GENERADOR POR EL LADO FUEGO; POR EL LADO AGUA; INSPECCIÓN DE LOS EQUIPOS AUXILIARES; LLENADO Y COCCIÓN. .......................................................................... 103 8.2. PUESTA EN SERVICIO: PROCESO DE ENCENDIDO DEL QUEMADOR; CESIÓN DE VAPOR; PURGAS DE

LODOS; ESPUMAS; NIVELES; VÁLVULAS DE SEGURIDAD Y MANÓMETROS ........................................................... 105 8.3. PUESTA FUERA DE SERVICIO ................................................................................................................ 109 8.4. CAUSAS QUE HACEN AUMENTAR O DISMINUIR LA PRESIÓN ................................................................ 111 8.5. CAUSAS QUE HACEN DESCENDER BRUSCAMENTE EL NIVEL Y MEDIDAS A ADOPTAR SI EL AGUA

DESAPARECE DEL INDICADOR DE NIVEL ............................................................................................................... 111 8.6. COMUNICACIÓN O INCOMUNICACIÓN DE UNA CALDERA CON OTRAS .................................................. 112 8.7. MANTENIMIENTO DE CALDERAS: JUNTAS, ENGRASES, ETC.; REVISIONES Y LIMPIEZAS PERIÓDICAS ... 113 8.8. CONSERVACIÓN EN PARO PROLONGADO: LADO FUEGO; LADO AGUA. CONSERVACIÓN HÚMEDA Y SECA. 115 8.9. REVISIÓN DE AVERÍAS ......................................................................................................................... 117

9. MÉTODO DE APRECIAR LA LLAMA Y AJUSTARLA ................................................................... 119

9.1. OBSERVACIÓN DE LA LLAMA ............................................................................................................... 119 9.1.1. Método para observar la llama ...................................................................................................... 119 9.1.2. Método para ajustar la llama ......................................................................................................... 120

9.2. FALLAS EN LAS OPERACIONES DE COMBUSTIÓN DEL PETRÓLEO, SUS CAUSAS Y CONTRAMEDIDAS

CORRESPONDIENTES .............................................................................................................................................. 122 9.3. TIPOS DE QUEMADORES Y SUS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES .......................................................... 125

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CURSO PARA OPERADORES DE CALDERAS

1. ASPECTOS TÉCNICOS

1.1. Magnitudes, Unidades y Conceptos Básicos

1.2. Longitud.

1.3. Superficie.

1.4. Volumen.

1.5. Tiempo.

1.6. Masa.

1.7. Fuerza.

1.8. Presión.

La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie. La presión ejercida sobre un cuerpo (sólido, líquido o gaseoso) vendrá expresada por la relación entre una fuerza F y la superficie S sobre la que dicha fuerza actúa. Así, en la expresión (1-1) se expresa lo antedicho:

][

][][;

)(

)()(Pr

2m

NP

SSuperficie

FFuerzaPesión a (1-1)

La unidad de presión será igual, por lo tanto, a la unidad de fuerza dividida por la unidad de

superficie.

Si adoptamos como unidad de fuerza, por ejemplo del sistema internacional, el newton que es la fuerza que comunica a una masa de 1 kilogramo la aceleración de 1 metro por segundo en cada segundo, y como unidad de superficie el metro cuadrado, obtenemos la unidad de presión denominada Pascal.

En la práctica se utilizan también otras relaciones de fuerza/superficie, fáciles de reducir a la

unidad ya mencionada. Así, por ejemplo:

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bar: 1 bar = 105 N/m2=100.000 Pa milibar: 1 mbar = 102 N/m2=100 Pa kilogramo-fuerza por metro cuadrado: 1 Kgf/m2 = 1 Kp/m2 = 9,8 N/m2 = 9,8 Pa kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado: 1 Kgf/cm2 = 98.000 N/m2 = 98.000 Pa

Al indicar la presión debe mencionarse si ésta es absoluta o relativa. Valor absoluto de la

presión es el que ésta tiene en sí; valor relativo es el que posee cuando se la compara con alguna otra presión con la cual esté íntimamente relacionada.

Para medir la presión se usan unos instrumentos denominados manómetros, cuyo tipo más comúnmente empleado es el de Bourdon, que nos indica la presión relativa a que está sometido el aparato al que está conectado, ya que cuando está marcando el cero, el aparato en cuestión está a la presión atmosférica, por lo que la presión absoluta que se alcance en el aparato será igual a la indicada por el manómetro (presión relativa) más la presión atmosférica.

Actualmente existen otros instrumentos más modernos que transmiten la señal de presión a un control o computadora para su visualización. En la figura 1-1 se muestra un manómetro tipo bourdon y en la figura 1-2 un transmisor de presión.

Figura 1-1. Manómetro tipo bourdon Figura 1-2. Transmisor de presión

Presión Atmosférica

Es la presión ejercida sobre todos los cuerpos que hay sobre la Tierra por la masa gaseosa que rodea a ésta, y que conocemos por atmósfera.

La presión atmosférica se determina mediante el experimento de Torricelli. Si tomamos un tubo de vidrio, cerrado por un extremo, de 1 m de altura, y lo llenamos de mercurio. Después, tapamos con un dedo el extremo abierto, invertimos el tubo y lo sumergimos en un depósito de mercurio. Al retirar el dedo, se observa que la altura de la columna de mercurio en el interior del tubo desciende hasta un valor h < 1 m, medida verticalmente desde la superficie libre del depósito.

Es evidente que la presión P sobre un punto cualquiera de la superficie libre del mercurio en el depósito es igual a la presión atmosférica y, simultáneamente, es también igual a la presión sobre cualquier punto interior al tubo que esté situado al mismo nivel de los de la superficie libre en el depósito, que viene dada por la expresión siguiente:

hgP (1-2)

No se pude mostrar la imagen vinculada. Puede que se haya movido, cambiado de nombre o eliminado el archivo. Compruebe que el vínculo señala al archivo y ubicaciones correctos.


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siendo: = densidad del mercurio

g = aceleración de la gravedad h = altura de la columna dentro del tubo.

Si suponemos que estamos a nivel del mar, que la temperatura es de 0 °C ( =13,59 g/cm3), y

que la aceleración de la gravedad es exactamente igual (g=980,6 cm/s2) en todos los puntos de la Tierra, obtenemos una presión, que se conoce como presión normal (h = 76 cm) y que se ha utilizado como unidad bajo la denominación de atmósfera física:

1 atm = 13,595 (kg/dm3) x 9,80665 (m/s2) x 0,76 (m) = 1,033 Kgf/cm2 = 101.325 Pa

Se denomina Atmósfera técnica a la presión de 1 Kgf/cm2 exactamente.

A veces, se utilizan otras unidades para medir la presión atmosférica, tales como el bar, o el Pascal:

1 atm = 1.013 mbar 1 bar = 105 Pa

Los instrumentos destinados a medir la presión atmosférica se llaman barómetros.

1.9. Temperatura.

Es la magnitud que nos indica si un cuerpo esta más caliente o más frío que otro. Al acercar la mano a la tubería de vapor en la salida de una caldera notamos una sensación distinta que al tocar la manija para abrir la puerta de una habitación. Para distinguir estas sensaciones solemos decir "la tubería esta caliente", o "la manija esta fría". Utilizando un lenguaje más científico diríamos "la temperatura de la tubería es más alta que la de mi mano", o "la temperatura de la manija es más baja que la de mi mano".

porque al acercar la mano a la tubería pasa

calor de la tubería a la mano,

mientras que al tocar la manija pasa calor de la mano a la manija.

Esto es algo que sucede naturalmente, sin que

se tenga que hacer nada para que sea así. El calor tiene tendencia a pasar de los cuerpos que están a mayor temperatura a los cuerpos que están a menor temperatura, lo mismo que el agua tiene tendencia a circular de los lugares altos a los lugares bajos.

Figura 1-3. Escalas de Temperaturas

Con todo lo anterior queremos indicar que aunque el paso de calor de unos cuerpos a otros

esta relacionado con la temperatura de estos, calor y temperatura son conceptos distintos.

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Para medir temperaturas se emplean termómetros. Hay termómetros de muchos tipos, aunque

los más corrientes son los de dilatación que consisten en un tubo fino en cuyo interior hay un líquido (mercurio, alcohol y otros). La dilatación alcanzada por el líquido se lee en una escala que da directamente la temperatura. El valor de esta depende del tipo de escala en que se ha graduado el termómetro. Las escalas más utilizadas son:

Escala Celsius, cuya unidad es el grado Celsius (°C). Escala Termodinámica absoluta Kelvin, cuya unidad es el grado Kelvin (K) Escala Fahrenheit, cuya unidad es el grado Fahrenheit (°F). Escala absoluta Rankine, cuya unidad es el grado Rankine (°R)

La equivalencia entre estas escalas se muestra en la figura 1-3. En la figura 1-4 se muestra un termómetro de alcohol.

En la figura 1-5 se muestra un sensor de temperatura moderno del tipo PT100, el cual consiste

en una resistencia de platino que modifica el valor de su resistencia cuando varía su temperatura.

Figura 1-4. Termómetro de alcohol Figura 1-5. Termoresistencia PT100

1.10. Energía (calor).

La longitud, el volumen, el tiempo y la temperatura son magnitudes físicas de las que existen patrones que han servido para establecer unidades de medida (metro, litro, segundo, °C, etc.). Por comparación con dichos patrones se otorgan valores a esas magnitudes. Igualmente, se dispone de unidades de medida para el calor; algunas de ellas fueron definidas antiguamente cuando aún no se había establecido que no existía diferencia entre calor y energía.

De hecho, el calor es una manifestación más de la energía. En todos los procesos en los que

se libera calor, ha existido previamente una transformación de energía, ya sea mecánica, eléctrica, química, etc. El calor debe ser medido en unidades de energía; sin embargo, tradicionalmente ha poseído sus propias unidades entre ellas las más divulgadas en nuestro ámbito es la kilocaloría (kcal) y el kilowatthora (kWh). -

La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1

gramo de agua desde 14,5 °C á 15,5 °C, siendo la kilocaloría equivalente a mil calorías. Por otro lado, en algunos países anglosajones se utiliza la British Thermal Unit (BTU), que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.

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El kWh es una magnitud definida en el Sistema Internacional de medidas (basado en el sistema métrico) cuya unidad de energía es el Joule; el kWh equivale a 3.600.000 Joules.

Las equivalencias entre estas tres unidades son:

1 kilowatt hora (kWh) = 860 kcal = 3.413 BTU (1-3) EFECTOS DEL CALOR

Cuando se suministra calor a un cuerpo pueden ocurrir tres efectos:

Que varíe su temperatura. Que cambie de estado físico (fusión, ebullición). Mientras dura el cambio de estado, la

temperatura no varía si el proceso se realiza a presión constante. Que varíen sus dimensiones. (dilatación)

Variación de temperatura

El calor absorbido o cedido por un cuerpo causa la variación de su temperatura, pero la

temperatura, por si misma, no constituye más que la medida del nivel térmico de un cuerpo y está relacionada con el grado de agitación de sus moléculas.

El que una sustancia esté a la misma temperatura que otro no significa que hayan recibido

cantidades iguales de calor (energía); para distintas sustancias, se precisan distintas cantidades de calor, y de igual manera sucede al elevar la temperatura de una sustancia en distinto número de grados de temperatura.

Como consecuencia de lo anterior surge el concepto de calor específico de una sustancia que

es la cantidad de calor (energía) que es preciso suministrar a 1 Kg de dicha sustancia para elevar su temperatura en 1 °C, debiendo aclararse el rango de temperatura y presión. Si se trata de un gas, se debe indicar además, si se realiza manteniendo constante el volumen o la presión.

Para el agua líquida en el intervalo de 0 a 100 °C, el calor específico a presión atmosférica normal es aproximadamente 1 kcal/kg°C. Para el vapor de agua, varía con la presión y la temperatura.

1.11. Potencia.

1.12. Viscosidad.

1.13. Cambios de Estado.

La materia se presenta en la Naturaleza en forma de tres estados diferentes según sea la energía intermolecular que posea. En el estado sólido las fuerzas de atracción intermolecular (cohesión) son muy fuertes, superiores a la energía propia y se mantiene el volumen y la forma. Si a este cuerpo en estado sólido le cedemos calor, aumentará su energía interna logrando que sus moléculas puedan vencer determinadas fuerzas de cohesión obteniéndose un nuevo estado de la materia, el estado líquido, en que el cuerpo mantiene el volumen pero no la forma. Al continuar cediendo energía a este cuerpo, se llega a un punto en que la energía molecular es superior a las

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fuerzas de cohesión, rompiéndose totalmente éstas y alcanzándose el estado gaseoso de la materia, en que no se conserva ni el volumen ni la forma.

Vemos pues que aumentando la temperatura de un cuerpo éste puede pasar de sólido a líquido

y a gas, y de forma inversa, al enfriarlo se recorrerá el camino en sentido contrario.

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Tabla 1-1 – Características Termodinámicas del agua

Presión Absoluta

Temperatura Volumen específico del vapor

Peso específico del vapor

Entalpía del líquido (Calor)

Entalpía del vapor

(Calor)

Calor de vaporización en [kcal/kg]

P [Kg/cm2] t [°C] v” [m3/kg] [kg/m3] h’ [Kcal/kg] h” [Kcal/kg] r 0,010 6,6 131,6 0,00760 6,6 598,0 591,4 0,015 12,7 89,64 0,01116 12,7 600,9 588,2 0,020 17,1 68,27 0,01465 17,1 602,9 585,8 0,025 20,7 55,28 0,01809 20,7 604,6 583,9 0,03 23,7 46,53 0,02149 23,7 606,0 582,3 0,04 28,6 35,46 0,02820 28,6 608,2 579,6 0,05 32,5 28,73 0,03481 32,5 610,0 577,5 0,06 35,8 24,19 0,04133 35,8 611,5 575,8 0,08 41,1 18,45 0,05420 41,1 614,0 572,8 0,10 45,4 14,96 0,06686 45,4 615,9 570,5 0,12 49,0 12,60 0,07937 49,0 617,6 568,5 0,15 53,6 10,22 0,09789 53,6 619,6 566,0 0,20 59,7 7,797 0,1283 59,7 622,3 562,7 0,25 64.6 6,325 0,1581 64,6 624,5 559,9 0,30 68,7 5,331 0,1876 68,7 626,3 557,6 0,35 72,3 4,614 0,2167 72,3 627,8 555,6 0,4 75,4 4,072 0,2456 75,4 629,2 553,8 0,5 80,9 3,304 0,3027 80,9 631,5 550,6 0,6 85,5 2,785 0,3590 85,5 633,4 548,0 0,7 89,5 2,411 0,4147 89,5 635,1 545,6 0,8 93,0 2,128 0,4699 93,0 636,5 543,6 0,9 96,2 1,906 0,5246 96,2 637,8 541,7 1,0 99,1 1,727 0,5790 99,1 639,0 539,9 1,1 101,8 1,580 0,6329 101,8 640,1 538,3 1,2 104,2 1,457 0,6865 104,3 641,1 536,7 1,3 106,6 1,352 0,7399 106,7 642,0 535,3 1,4 108,7 1,261 0,7931 108,9 642,8 533,9 1,5 110,8 1,182 0,846 110 9 643,6 532,7 1,6 112,7 1,113 0,898 112 9 644,3 531,4 1,8 116,3 0,997 1,003 116,6 645,7 529,1 2,0 119,6 0,903 1,107 119,9 646,9 . 527,0 2,2 122,6 0,826 1,210 123,0 648,0 525,0 2,4 125,5 0,7616 1,313 125,8 649,0 523,1 2,6 128,1 0,7066 1,415 128,g 649,9 521,4 2,8 130,5 0,6592 1,517 131,0 650,8 519,7 3,0 132,9 0,6180 1,618 133,4 651,6 518,1 3,2 135,1 0,5817 1,719 135,7 652,3 516,6 3,4 137,2 0,5495 1,820 137,8 653,0 515,2 3,6 139,2 0,5208 1,920 139,9 653,7 513,8 3,8 141,1 0,4951 2,000 141,8 654,3 512,4 4,0 142,9 0,4728 2,120 143,7 654 9 511,1 4,5 147,2 0,4224 2,368 148,1 656 2 508,0 5,0 151,1 0,3825 2,614 152,2 657,3 505,2 5,5 154,7 0,3497 2,860 155,9 658,4 502,5 6,0 158,1 0,3222 3,104 159,4 659,3 499,9 6,5 161,2 0,2987 3,348 162,7 660,2 497,5 7,0 164,2 0,2785 3,591 167,7 660,9 495,2

8

Características Termodinámicas del agua (Continuación)

Presión Absoluta

Temperatura Volumen específico del vapor

Peso específico del vapor

Entalpía del líquido (Calor)

Entalpía del vapor

(Calor)

Calor de vaporización en [kcal/kg]

P [Kg/cm2] t [°C] v” [m3/kg] [kg/m3] h’ [Kcal/kg] h” [Kcal/kg] r 7,5 167,0 0,2609 3,833 168,7 661,7 493,0 8,0 169,6 0,2454 4,075 171,4 662,3 490,9 8,5 172,1 0,2317 4,316 174,0 662,9 488,8 9,0 174,5 0,2195 4,556 176,6 663,4 486,8 9,5 176,8 0,2085 4,797 179,0 663,9 484,9 10 179,0 0,1985 5,037 181,3 664,4 483,1 11 183,2 0,1813 5,516 185,7 665,2 479,5 12 187,1 0,1668 5,996 189,8 665,9 476,1 13 190,7 0,1545 6,474 193,6 666,6 472,8 14 194,1 0,1438 6,952 197,3 667,0 469,7 15 107,4 0,1346 7,431 200,7 667,4 466,7 16 200,4 0,1264 7,909 204,0 667,8 463,8 17 203,4 0,1192 8,389 207,1 668,1 460,9 18 206,2 0.1128 8,868 210,1 668,3 458,2 19 208,8 0,1070 9,349 213,0 668,5 455,5 20 211,4 0,1017 9,83 215,8 668,7 452,9 22 216,2 0,0927 10,79 221,0 668,9 447,9 24 220,8 0,0850 11,76 226,0 669,0 443,0 26 225,0 0,0785 12,74 230,6 669,0 438,4 28 229,0 0,0729 13,72 235,0 668,8 433,9 30 232,8 0,06802 14,70 239,1 668,6 429,5 32 236,4 0,06372 15,69 243,1 668,3 435,2 34 239,8 0,05991 16,69 246,9 668,0 421,1 36 243,1 0,05651 17,70 250,5 667,6 417,0 38 246,2 0,05345 18,71 254,1 667,1 413,0 40 249,2 0,05069 19,73 257,4 666,5 409,2 42 252,1 0,04817 20,76 260,7 666,0 405,3 44 254,9 0,04588 21,80 263,9 665,5 401,6 46 257,6 0,04378 22,84 266,9 664,8 397,9 48 260,2 0,04185 23,89 269,8 664,1 394,3 50 262,7 0,04007 24,96 272,7 663,3 390,7 55 268,7 0,03616 27,65 279,6 66,15 381,9 60 274,3 0,03289 30,41 286,1 659,5 373,5 65 279,6 0,03009 33,23 282,2 657,5 365,3 70 284,5 0,02769 36,12 298,0 655,3 357,3 75 289,2 0,02559 39,08 303,5 653,0 349,5 80 293,6 0,02374 42,13 308,8 650,6 341,8 85 297,9 0,02210 45,24 313,9 648,1 334,2 90 301,9 0,02064 48,45 319,0 645,3 326,7 95 305,8 0,01933 51,73 323,9 643,0 319,2 100 309,5 0,01815 55,11 328,7 640,5 311,8 110 316,5 0,01609 62,15 3S8,1 635,1 297,0 120 323,1 0,01437 69,60 347,3 629,7 282,4 130 329 3 0,01290 77,50 356,4 624,2 267,8 140 335 0 0,01164 85,91 365,3 618,6 253,3

9

El cambio de estado de líquido a gas se llama vaporización y su inverso condensación. Las leyes físicas de estos cambios de estado nos dicen que:

Cuando un cuerpo cambia de estado físico su temperatura no varía y la cantidad de calor absorbida o cedida es constante para cada cuerpo en las mismas condiciones.

En el agua el calor de vaporización a 100 °C es de 539,11 Kcal/Kg y a su vez si se enfría

vapor de agua a 100 °C, éste nos da un calor de condensación de 539,11 Kcal/Kg. Estos valores son variables en función de la presión en que se verifica el cambio de estado,

como puede verse en la tabla 1-1 que se adjunta de las características del agua y vapor de agua según presión.

En todos los cuerpos existen unas condiciones de presión y temperatura en que puedan

coexistir las tres formas de estado; a este punto se le denomina punto triple.

Se denominan vapores aquellos gases que en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y temperatura ambiente) su estado normal es el estado líquido; así, se debe decir vapor de agua y no gas de agua, y a su vez gas de oxígeno y no vapor de oxígeno.

Los cambios de estado físico están graficados en la figura 1-6 y son:

Sólido a líquido, o fusión (también llamado licuefacción). Líquido a sólido, o solidificación. Líquido a vapor, o vaporización. Vapor a líquido, o condensación. Sólido a vapor y vapor a sólido, o sublimación.

Figura 1-6. Cambios de estado del agua

Variación de dimensiones (dilatación)

Este efecto se presenta cuando un cuerpo absorbe o cede calor.

Cuando un cuerpo absorbe calor aumenta su temperatura, pero además, por regla general,

aumenta de tamaño, es decir se dilata; al ceder calor, por el contrario, disminuye de tamaño, es decir, se contrae. En esta propiedad de contracción y dilatación se basa el funcionamiento de los termómetros de columna, los cuales miden la temperatura según la longitud de una columna de líquido.


10

Son particularmente peligrosos los calentamientos y enfriamientos bruscos e intermitentes,

puesto que muchos materiales son incapaces de soportar las continuas dilataciones y contracciones llegando a romperse por fatiga térmica. Este riesgo se presenta en la soldadura de metales.

1.14. Vapor de Agua.

El agua en determinadas condiciones de presión y temperatura se presenta en forma de vapor. Se dice que el vapor es saturado cuando sus condiciones de presión y temperatura corresponden a un punto de cambio de estado, de forma que en dicho punto puede coexistir el vapor de agua y el agua en estado líquido. En la práctica el vapor saturado puede ser seco si en su seno no existe partícula alguna de agua en estado líquido, y húmedo si en su seno hay partículas de agua en estado líquido.

Vapor sobrecalentado es aquel que tiene una temperatura superior a su condición de saturado.

Vapor recalentado es aquel vapor que, proveniente de una máquina a la que se ha cedido parte de su energía, se vuelve a calentar.

Vapor expansionado es aquel que se obtiene al aumentar el volumen de un vapor saturado sin

entregarle calor.

1.15. Volumen Específico.

Se llama volumen específico de un cuerpo al volumen ocupado por la unidad de masa de dicho cuerpo, en caso que éste sea homogéneo:

1

m

Vv (1-4)

siendo: = densidad del cuerpo [kg/m3] v = Volumen específico [m3/kg]

Ahora bien, en el caso de los vapores hay que tener en cuenta que son muy compresibles, su volumen depende de la presión a la que están sometidos, y también de su temperatura. Para estudiar la relación que existe entre el volumen y la presión de una masa de vapor, es necesario mantener la temperatura constante durante el estudio.

Cuando un gas se comprime sin variar su temperatura (compresión isotérmica), su volumen V

disminuye de tal modo que para una determinada masa gaseosa m, el producto de la presión P por el volumen V se mantiene constante:

ConstanteVP (1-5)

Además, tenemos que para dos estados de una misma masa de vapor, uno de presión P1 y volumen V1 y otro de presión P2 y volumen V2, se cumple que:

2211 VPVP (1-6)

y como la masa no ha cambiado (aunque sí lo ha hecho su volumen), tenemos que:

2211 vPvP (1-7)

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No obstante, en la práctica, los gases reales se desvían algo de esta ley, sobre todo si se emplean grandes presiones. Experimentalmente, se ha comprobado que las relaciones entre las presiones y los volúmenes específicos de gases reales se ajustan al gráfico de la figura 1-7:

A la izquierda de la curva “CK” y de la isoterma crítica, el agua está en estado líquido; a la derecha de la curva “SK”, se encuentra en estado de vapor; y por encima de la isoterma crítica, se encuentra en estado de gas (vapor que no se puede licuar a esas temperaturas).

Por ejemplo, en la curva de trazo punteado “ABDE”, al llegar al punto “B” empiezan a producirse gotas de líquido y el vapor comienza a estar saturado: la abscisa correspondiente al punto B indica el volumen específico del vapor saturado a esa temperatura, si operamos con la unidad de masa del gas de que se trate. Figura 1-7. Curva Característica del Vapor

En el gráfico se ve que los volúmenes específicos de vapor saturado son siempre mayores que

los volúmenes específicos de líquido, excepto en el punto “K” en que ambos volúmenes específicos son iguales.

1.16. Calor Específico.

El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor que hay que ceder a la unidad de masa para que su temperatura aumente en un grado.

En la práctica tenemos como unidad la caloría que es la cantidad de calor que hay que ceder a 1 gramo de agua para que su temperatura aumente 1 °C. Como esta unidad en la práctica es relativamente pequeña se utiliza la “kcal” (kilocaloría) (1 kcal = 1.000 cal).

Cada sustancia tiene un calor específico propio y que a su vez depende de las condiciones de presión y temperatura iniciales, por lo que en la práctica se utiliza el calor específico medio que corresponde al valor del calor aportado por la unidad de masa dividido por la diferencia de temperaturas finales e iniciales.

)( ifp tt

Qc

(1-8)

Aprovechamos este punto para indicar algunas unidades prácticas de la energía calorífica y

potencia calorífica (energía por unidad de tiempo)

1 kcal = 1.000 cal 1 th (termia) = 1.000 kcal = 106 cal 1 kW (kilovatio) = 860 kcal/h. 1 CV (caballo vapor) = 0,736 kW 1 cal = 4,186 J (Joules).

Los calores específicos de los cuerpos se miden por el método de las mezclas, en unos

aparatos que reciben el nombre de calorímetros.

12

En el caso de los gases, hay que distinguir entre el calor especifico a volumen constante, cV, y el valor específico a presión constante, cP.

Si consideramos 1 mol (masa molecular referida al número de gramos que corresponde al peso

molecular) de un gas cualquiera y lo calentamos para elevar su temperatura T (K) a presión constante o a volumen constante tendremos:

VPTcTc vp (1-9)

Pero, recordando la ecuación de estado de los gases perfectos:

TRnVP (1-10)

y considerando que en este caso n = 1 mol:

TRVP (1-11)

y sustituyendo este valor en la primera expresión, queda:

TRTcTc vp (1-12)

dividiendo por T:

vpvp ccRRcc (1-13)

En los gases, la diferencia entre el calor (específico) molar a presión constante y el calor molar

a volumen constante es igual a la constante R (constante universal de los gases perfectos) que, expresada en calorías/grados, vale aproximadamente 2.

El calor específico a presión constante, cP, se determina haciendo pasar un gas caliente por un

tubo sumergido en agua y midiendo la velocidad del gas, la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del calorímetro y la elevación de la temperatura del agua en el calorímetro.

La determinación experimental del calor específico a volumen constante cV es difícil de realizar en la práctica.

1.17. Transmisión del Calor.

El calor se transmite de unos cuerpos a otros de tres maneras diferentes: Conducción Convección Radiación En la práctica y en una mayoría de situaciones, la transmisión de calor raramente se produce

bajo una única forma. Sin embargo, lo que ocurre es que a veces, la transmisión sobre una de las formas es tan elevada con respecto a las otras que aquellas pueden despreciarse.

1.17.1. Conducción

La Conducción es la propagación de calor en el interior de un cuerpo o entre cuerpos que están en contacto de forma que la transmisión tiene lugar sin movimiento de materia en sentido

13

macroscópico. El calor se propaga de molécula a molécula haciéndola entrar en vibración y chocar con las contiguas. El calor aplicado en un punto aumenta la energía de las moléculas; éstas por choque traspasan su estado de agitación a las inmediatamente contiguas y así sucesivamente. El flujo de calor que se propaga a través de un cuerpo está influenciado por dos factores:

La diferencia de temperatura por unidad de longitud (gradiente térmico) Las propiedades térmicas del material que lo forma.

1.17.2. Convección

Los líquidos y los gases son malos conductores del calor. En ellos, la transmisión se realiza principalmente por un mecanismo distinto a la conducción, denominado convección.

La convección se puede definir como la transmisión de energía de unos puntos a otros de un

fluido por su movimiento propio. La convección puede ser de diferentes tipos: Convección libre o natural Convección forzada Laminar Turbulenta Por otro lado, la convección puede realizarse con o sin cambio de fase del fluido.

1.17.2.1.Convección libre o natural

Si se calienta por su parte inferior un recipiente con líquido, disminuye la densidad del líquido, las moléculas se desplazan a través del líquido frío transportando de esta forma el calor, aunque no se haya agitado el líquido. La temperatura, conforme avanza el proceso, va aumentando y uniformándose.

Esta forma de transmisión de calor se denomina convección natural o libre, y es debida a las

corrientes de convección determinadas por el movimiento de materia originado por las diferencias de densidad resultante de las diferencias de temperatura.

1.17.2.2.Convección forzada

La transmisión de calor entre un sólido y un fluido en movimiento depende en buena parte de las características de este movimiento.

Un fluido circulando por una tubería a velocidad no muy elevada lo hace de forma que las

partículas fluyen paralelamente al eje del conducto; la velocidad es máxima sobre el eje del tubo y disminuye hasta anularse en la pared. Esta forma de movimiento se denomina laminar y por lo dicho, junto a la pared del tubo, el líquido tiene velocidad cero, formando una capa de transición denominada capa límite.

Cuando la velocidad del fluido en el conducto excede de un cierto valor crítico, el movimiento de

las partículas es mucho más complicado, se producen torbellinos y remolinos, y corrientes tanto axiales como radiales. El flujo en este caso se denomina turbulento.

Los factores que intervienen para que el movimiento del fluido sea laminar o turbulento, son las

siguientes: La velocidad con que se desplaza el fluido.

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La rugosidad de las paredes del conducto. La densidad del fluido. Su resistencia a desplazarse por el conducto (viscosidad). Las dimensiones del conducto.

1.17.3. Radiación Térmica

La superficie de todo cuerpo con temperatura superior al ‘’cero absoluto’’ emite energía radiante en forma de ondas electromagnéticas que se propagan con la velocidad de la luz. La energía radiante emitida se propaga en línea recta y es función de la temperatura y de las características de la superficie del cuerpo emisor.

Cuando las ondas electromagnéticas inciden sobre un cuerpo que no es transparente a ellas,

son en parte absorbidas, su energía (calor) incrementa la temperatura del cuerpo y el resto es reflejada retornando al medio de donde provienen.

La naturaleza de estas ondas es similar a la de la luz, solo que su longitud de onda puede ser

igual ó mayor que la de la luz visible, dependiendo de la temperatura del cuerpo que la emite. A partir de temperaturas superficiales de 700 á 800 °C la longitud de onda ya es bastante corta

(mayor frecuencia) y la radiación es visible, en este caso el cuerpo toma una coloración rojiza. Cuando la temperatura aumenta, el calor emitido por radiación también aumenta muy

rápidamente, de forma tal que a temperaturas elevadas la transmisión de calor por radiación desde la superficie al ambiente prevalece sobre la conducción y la convección.

Sólo, la superficie del cuerpo emite radiación térmica; al elevar su temperatura, todas sus

moléculas irradian, tanto las superficiales como las internas, pero el cuerpo absorbe las ondas emitidas por el mismo, de forma tal que sólo las que se producen en la superficie irradian hacia el exterior.

El cuerpo que recibe la energía radiante reflejará, absorberá o transmitirá esta energía según su

naturaleza. No existen cuerpos en la realidad que reflejen, absorban o transmitan totalmente. Un cuerpo que teóricamente absorba toda la radiación recibe el nombre de cuerpo negro. El

cuerpo negro es también el de mayor emisión de radiación térmica. Un cuerpo buen absorbente de la radiación es también buen emisor. Existen cuerpos, como por

ejemplo las superficies metálica pulimentadas, que absorben y emiten muy poca radiación.

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2. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR

2.1. Clasificación Elemental de las Calderas.

Las calderas en una primera clasificación se pueden ordenar de acuerdo a los siguientes criterios:

Disposición de los fluidos. Tipo de circulación. Tipo de transmisión del calor. Operación. Presión y temperatura de trabajo.

Según la disposición de los fluidos.

Calderas de tubos de agua (acuotubulares). Calderas de tubos de gases (humotubulares).

En las calderas acuotubulares, los gases circulan por el exterior de los tubos y el agua por el

interior. En las humotubulares, los gases circulan por el interior de los tubos, los cuales se encuentran bañados por el agua. Según el tipo de circulación.

Calderas de circulación natural. Calderas de circulación asistida. Calderas de circulación forzada.

En las primeras el agua circula por su interior como consecuencia de la diferencia de

densidades. En las últimas, la circulación es provocada por una bomba.

Según el tipo de transmisión del calor.

Calderas con predominio de la convección. Calderas con predominio de la radiación. Calderas mixtas de radiación y convección.

Según la operación.

Calderas automáticas. Calderas semiautomáticas. Calderas de operación manual.

Según la temperatura y presión de trabajo.

Calderas subcríticas. Son las que funcionan a presión inferior a la del punto critico del

vapor de agua, a partir del cual el agua sólo existe en estado de vapor (221 bar, 374 °C). Se pueden clasificar de forma convencional en:

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De baja presión P < 20 Kg/cm2 De media presión 20 < P < 64 kg/cm2 De alta presión P > 64 kg/cm2

En estas calderas existe la mezcla entre el vapor y el agua.

Calderas supercríticas. Las mismas funcionan a una presión superior a la crítica. El paso de agua a vapor se realiza bruscamente sin existir la mezcla antes mencionada. En la industria no se usan estas calderas, cuya aplicación está limitada a grandes centrales de generación termoeléctricas.

2.2. Calderas Humotubulares

Las calderas cilíndricas humotubulares, de gran uso hace muchos años, se construían sobre la base de diversos diseños, reducidos hoy, casi exclusivamente, a las calderas de retorno de llama, tipo marino. Estas son de dos o tres (rara vez cuatro) pasajes de gases por los tubos, con fondo seco o húmedo (ver figuras 2-1 y 2-2) y según el tamaño, de uno, dos o tres hornos interiores.

Figura 2-1. Caldera humotubular de Fondo Seco Las calderas, de gran volumen de agua, tienen algunas características especiales, interesantes

de señalar:

Resisten bien las variaciones bruscas de la demanda, con poca variación de la presión. La gran masa de agua caliente, con una pequeña disminución de la presión, produce una parcial evaporación, reforzando así la producción de vapor de la caldera.


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No admiten sobrecargas prolongadas. La transmisión del calor al agua se realiza por

convección natural, es decir que el movimiento del agua está causado por la sola diferencia de densidades.

Figura 2-2. Caldera humotubular de Fondo Húmedo

Figura 2-3. Caldera humotubular de Tipo Paquete



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Son menos exigentes con respecto a la calidad del agua.

Los tamaños y presiones máximos, son limitados. La producción de vapor oscila entre 18 y

25 kg/m2h. Dentro de las calderas de gran volumen de agua, corresponde señalar como caso especial a las de tipos modernos, llamadas compactas o "package" (ver figura 2-3), cuyo diseño sigue en líneas generales el de las humotubulares clásicas, pero de cuyas dimensiones se reducen a veces a valores límites. Por lo tanto, en estas calderas, aunque se dispone de una gran masa importante de agua caliente, no se puede esperar el mismo efecto de volante térmico que en las calderas comunes. Dado que se trabaja con mayores exigencias respecto a la producción de vapor, requieren también agua de buena calidad, bastante similar a las calderas acuotubulares y en algunos casos la igualan. La producción de vapor en estas calderas, oscila entre 25 y 40 o más kg/m2h.

2.3. Calderas Acuotubulares

Las calderas acuotubulares son aquellas en que el agua circula por los tubos y los gases en rededor de ellos. Entre los varios tipos en uso se pueden mencionar:

la caldera seccional, que es un diseño antiguo que se construye ahora solo para casos

secundarios, pero que se encuentra en gran cantidad en las instalaciones existentes. y la caldera de tubos curvados, de dos domos (y a veces tres), que se ha impuesto como

tipo más general, tanto en unidades medianas y pequeñas, compactas (ver figura 2-4), armadas en taller, como en unidades de mayor tamaño armadas en obra (ver figura 2-5).

Figura 2-4. Caldera acuotubular de dos domos y tubos curvados.


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Figura 2-5. Caldera acuotubular de gran tamaño armada en obra.


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PRESIÓN, kg/cm2

Figura 2-6. Variación de la densidad en función de la presión

Deben citarse además, la caldera radiante de un solo domo, para altas presiones y capacidades y otros diseños, de poco uso.

Las características salientes de las calderas acuotubulares son las siguientes:

Son seguras; los problemas se reducen a la posible falla de un tubo. No responden rápidamente a las variaciones bruscas de la demanda, a menos que se hayan

previsto equipos de combustión y controles automáticos elegidos especialmente. Admiten sobrecargas prolongadas, debido a su enérgica circulación interna. Son más exigentes con respecto a la calidad del agua. Pueden construirse sin límites de tamaños y presiones. La producción de vapor varía entre 20 y 60 kg/m2h, o aun más en las grandes unidades de

tipo radiante. Circulación. Domos. Purificación del Vapor.

La gran mayoría de las calderas trabaja con circulación natural. La circulación forzada, con

ayuda de bombas, sólo se utiliza con presiones mayores de 150 atm. y en diseños especiales como las monotubo. La circulación natural del agua de las calderas, tiene su origen en los movimientos de las mismas debido a la convección.

En las calderas cilíndricas, el agua se calienta en contacto con las paredes del horno y los

tubos, alivianándose al disminuir su densidad e iniciando su movimiento ascensional.

Cuando se comienza la producción de vapor, el agua saturada con pequeñas burbujas, disminuye bastante su densidad aparente y el movimiento se acelera notablemente.

En las calderas acuotubulares, el

diseño contempla tubos ascendentes o hervidores y tubos descendentes. En los primeros se produce la máxima transferencia de calor y consecuentemente la gran producción de vapor. El agua saturada de burbujas tiene una densidad aparente muy baja con relación al agua de los tubos descendentes, ubicados en zonas más frías; ese desequilibrio da origen a la circulación. Esta es muy enérgica y aumenta con la producción de la caldera.

Téngase en cuenta que en la producción normal, un tubo ascendente puede tener hasta el 70

% de su volumen ocupado por burbujas de vapor. El peso de ese 70 % representa un 4 % del volumen de agua equivalente. La diferencia de peso total entre el tubo descendente y ascendente, es como se ve, considerable, ya que en el tubo descendente la producción de vapor es nula o muy pequeña. En el gráfico de la figura 2-6 se observan las diferencias de densidades del vapor y el agua a distintas presiones, notándose por que a grandes presiones es necesaria la circulación forzada, dado que aumenta la densidad del vapor y disminuye la del agua, acortándose las diferencias.

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En las figuras 2-7 y 2-8 se puede observar una caldera con una precámara ciclónica donde se produce la combustión.

En la figura 2-9 se pueden apreciar otra caldera acuotubular con los quemadores laterales.

Figura 2-7. Vista de una caldera con hogar ciclónico.

Figura 2-8. Caldera con hogar ciclónico Figura 2-9. Caldera con quemadores laterales.

En la parte superior de las calderas cilíndricas y en el domo superior de las calderas

acuotubulares, se produce la separación del vapor. Es importante evitar el arrastre de gotas de agua;




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ello se logra con unos dispositivos especiales que cumplen esa función denominados separadores de gotas. En las figuras 2-10, 2-11 y 2-12 se pueden observar algunos tipos.

Figura 2-10. Separadores de gotas ciclónico.

Figura 2-11. Distribución del flujo en separador Figura 2-12. Separador con deflectores. ciclónico




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2.4. Sobrecalentadores y Recalentadores

2.4.1. Ventajas del Sobrecalentamiento

En las instalaciones donde el proceso requiera temperaturas del vapor superiores a las de saturación es preciso sobrecalentar el vapor.

Si el vapor va a accionar una turbina hay tres razones que justifican su sobrecalentamiento:

Al trabajar con temperaturas más alta en la fuente caliente el rendimiento del ciclo

termodinámico de la turbina es más alto.

El vapor no llega a condensarse en las últimas etapas de accionamiento de la turbina, de forma que es mayor el rendimiento de la misma y no se producen erosiones ni desequilibrios.

El vapor no se condensa en las tuberías y conductos.

En general, se puede decir que por cada 40 °C de incremento de la temperatura del vapor

sobre la de saturación, se obtiene un aumento aproximado del 3 % en el rendimiento isoentrópico de la turbina.

El interés de los sobrecalentadores reside fundamentalmente en que aumentan el rendimiento

de los ciclos de vapor. Un sobrecalentador puede definirse como un elemento en donde, por intercambio calorífico, se

eleva la temperatura del vapor saturado procedente de la caldera. El sobrecalentador está formado por un sistema de tubos que se interponen al paso de los gases; al inyectarle vapor saturado proce-dente de la caldera misma, este vapor recibe una cantidad adicional de calor, que procede de los gases de la combustión. Esta transmisión de calor eleva la temperatura del vapor y aumenta su volumen.

Las dos clases generales de sobrecalentadores son:

1. Sobrecalentadores que forman parte integral de la caldera o generador de vapor.

2. Sobrecalentadores independientes, que disponen de un hogar especial, que están calentados por un quemador auxiliar y que pueden estar conectados a una o varias calderas.

Entre los sobrecalentadores integrales se distinguen:

a) Sobrecalentadores por convección, b) Sobrecalentadores por radiación, c) Sobrecalentadores por radiación y convección,

según sea la zona de la caldera en la que están situados.

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2.4.2. Tipos de Sobrecalentadores

2.4.2.1. De Convección

Los sobrecalentadores de convección se sitúan en las zonas de la caldera en la que la temperatura de gases no es muy alta y, por lo tanto, la tasa de radiación es pequeña. Su configuración permite una buena transmisión del calor por convección. Al crecer la vaporización en la caldera, aumenta la temperatura del vapor recalentado debido al incremento de la temperatura y caudal de los gases de combustión que pasan por el sobrecalentador.

2.4.2.2. De Radiación.

En estos sobrecalentadores la mayor parte de la transmisión de calor se realiza por radiación. El efecto es contrario al anterior debido a que la temperatura de los gases en el hogar no aumenta prácticamente con la carga de la caldera.

2.4.2.3. Combinados Convección - Radiación.

La curva de variación de la temperatura de sobrecalentamiento en función de la carga de la caldera, para los sobrecalentadores de convección y radiación, es creciente para el primero y decreciente para el segundo, de acuerdo a lo visto precedentemente. La combinación adecuada de tubos en la zona de convección y en la zona de radiación permite que la temperatura de recalentamiento sea prácticamente independiente de la carga de la caldera.

2.4.2.4. De Calentamiento Independiente.

Se pueden construir recalentadores que se calientan con una combustión independiente de la caldera, de forma que la temperatura de recalentamiento no varíe con la carga de la caldera. Normalmente esta combustión independiente se realiza con un elevado exceso de aire para evitar que los tubos del sobrecalentador alcancen temperaturas demasiado altas. También pueden emplearse otros procedimientos a este fin, tal como recircular parcial o totalmente los gases después de haber pasado por el sobrecalentador, u otros.

2.4.3. Tipos de Recalentadores

El vapor, al trabajar en una máquina, se expande, baja de presión y pierde calor. A consecuencia de esta pérdida de temperatura, el vapor descenderá pronto hasta el punto de saturación, si el sobrecalentamiento fue insuficiente. Para evitar esto, el vapor es conducido para su recalentamiento antes de pasar a las etapas finales de su utilización.

Un recalentador puede definirse como un elemento en donde, por intercambio calorífico, se eleva la temperatura del vapor parcialmente expandido. Su función es semejante a la del sobrecalentador. En general, los recalentadores retornan el vapor aproximadamente a la misma temperatura a la que lo suministra el sobrecalentador; sin embargo, la presión del vapor retornado es mucho más baja.

Para evitar confusiones, insistimos en que si bien tanto los sobrecalentadores como los recalentadores sirven para elevar la temperatura del vapor, hay una diferencia fundamental:

En el sobrecalentador, el vapor llega directamente de la superficie principal de calefacción de la caldera o del domo de la caldera.

En el recalentador, el vapor que llega procede del retorno de la turbina u otra máquina.

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El diseño de la superficie de recalentamiento se basa en los mismos principios generales que sirven de norma al sobrecalentamiento inicial del vapor. En general, para el diseño del recalentador se limita la caída de presión al 10% en total (5% a través del aparato y 5% por pérdidas en válvulas y conexiones), siendo éste el único punto en el que difieren de las condiciones de diseño aplicadas a los sobrecalentadores.

Los recalentadores, al igual que los sobrecalentadores, también pueden clasificarse en:

a) Recalentadores por convección. b) Recalentadores por radiación. c) Recalentadores por convección y radiación.

Con combustibles pobres, el recalentador por radiación es más económico que el tipo de

convección. Los recalentadores combinados, con superficies de radiación y de convección, tienen características propias para la autorregulación de la temperatura, según las condiciones de carga.

2.4.4. Problemas y Precauciones en Sobrecalentadores y Recalentadores

2.4.4.1. Problemas

Incrustaciones Internas

Se pueden producir en el interior de los tubos haciendo decrecer el coeficiente de transmisión del calor y llegando incluso a impedir que el vapor refrigere su interior.

Suciedad Exterior

Al igual que en los tubos de la caldera, en los recalentadores se producen depósitos de hollines

que afectan al coeficiente de transferencia del calor, disminuyéndolo.

Sobrecalentamiento de los Tubos

La dimensión de los tubos debe ser la adecuada para producir la pérdida de carga necesaria que proporcione un reparto uniforme del vapor entre todos. En caso contrario, la temperatura en algunos de ellos puede aumentar hasta quemarlos y por lo tanto producir fugas de vapor.

2.4.4.2. Precauciones

Limpieza Interior de los Tubos

En los primeros diseños de recalentadores y sobrecalentadores era posible el acceso al interior de los tubos a fin de poder limpiarlos con chorro de agua, vapor u otro método. En la actualidad este proceso sólo es posible en aquellos casos en que no afecte al diseño o al rendimiento del recalentador.

Cuando por razones de diseño y/o rendimiento no se disponga de acceso físico al interior de los

tubos, la limpieza de los mismos hay que realizarla con agua o por medio de productos químicos.

Limpieza Exterior de Tubos

Se realiza durante la operación del generador mediante descargas de vapor a presión sobre ellos utilizando lanzas retráctiles ubicadas estratégicamente dentro del haz tubular (sopladores de hollín)

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Diseño y Funcionamiento Adecuado del Recalentador.

Mediante un diseño adecuado del recalentador es posible eliminar algunos inconvenientes asociados al sobrecalentamiento de los tubos, fugas en los mismos y problemas en sus soportes.

Los parámetros que intervienen en el diseño de los recalentadores y sobrecalentadores son:

Temperatura deseada del vapor. Elección del tipo de recalentador. Superficie requerida para el recalentamiento. Tipos de metal o aleación necesarios para la construcción de los tubos y sus soportes. Efecto de refrigerante del vapor para los tubos. La velocidad del vapor por su interior ha de

ser la necesaria para refrigerar los tubos y evitar el sobrecalentamiento de los mismos. Al mismo tiempo se han de producir caídas de presión parecidas en todos los tubos y lo suficientemente grandes como para que el vapor se distribuya por igual en su interior.

Limpieza interior y exterior tal y como se ha visto anteriormente. Estructura resistente a fin de poder absorber dilataciones y evitar problemas en los soportes.

Regulación del Sobrecalentamiento.

La regulación del sobrecalentamiento se realiza quitando calor del vapor; por lo tanto siempre el

sobrecalentador debe ser amplio, en forma tal que permita este tipo de regulación, obtener una característica lo más plana posible para distintos regímenes de la caldera.

Se regula inyectando agua finamente pulverizada, en el colector de vapor sobrecalentado y al

evaporarse ésta, toma el calor de vaporización del vapor, reduciendo la temperatura de éste.

También puede usarse el método de humedecer el vapor en el colector de vapor saturado, por medio de unos tubos, por los que circula agua de alimentación de la caldera, colocados en el colector antedicho. Este humedecimiento del vapor debido al calor tomado del agua de alimentación, baja en parte la temperatura final. Otro sistema de regulación del sobrecalentamiento consiste en hacer que solamente una parte de los gases de combustión pasen sobre el sobrecalentador y el resto es derivado fuera de éste, es decir, que el vapor es recalentado con una parte variable del total de los gases de combustión que llegan desde el horno. Esto exige naturalmente, colocar registros.

Otra forma de regulación del sobrecalentamiento se basa en el hecho de que el coeficiente de

transmisión de calor aumenta con la velocidad de los gases. En este caso se toma una cierta cantidad de gases de combustión de salida de la caldera y se los vuelve a inyectar en el horno mediante un ventilador de recirculación. De esta manera, al aumentar la recirculación se aumenta la cantidad de gases, y consecuentemente la velocidad de los mismos, modificándose el coeficiente de transmisión.

Otro método muy usado en las grandes calderas, cuando se utilizan quemadores tangenciales,

es hacer que los quemadores sean oscilantes en un plano vertical, en tal forma que cuando la carga de la caldera es alta los quemadores apuntan hacia abajo y se dispone de mayor superficie radiante de absorción del horno, llegando los gases relativamente más fríos al sobrecalentador.

2.5. Calderas de Fluido Térmico (F.T.) y Agua Caliente.

En estas calderas (figura 2-13) el fluido que transporta el calor proveniente de una combustión hasta el punto de utilización, lo hace en fase líquida. En la caldera, el fluido absorbe calor sensible que cede luego en el punto de utilización y como consecuencia de ello retorna a la caldera a menor temperatura, reiniciándose el ciclo.

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No se pude mostrar la imagen vinculada. Puede que se haya movido, cambiado de nombre o eliminado el archivo. Compruebe que el vínculo señala al archivo y ubicaciones correctos. En las calderas de vapor por el contrario se utiliza como fluido calórico el agua en estado de vapor. En el punto de utilización el fluido sede calor latente de vaporización, retornando a la caldera en forma líquida donde absorberá el calor de vaporización cedido que lo transformara nuevamente en vapor utilizable en un nuevo ciclo.

Como fluido de transporte del calor puede utilizarse

agua en estado líquido caliente o sobrecalentada, o compuestos orgánicos con presiones de saturación más bajas que ésta. Estos compuestos orgánicos son los fluidos térmicos.

2.5.1. Campos de Aplicación, Comparación con las

Instalaciones de Vapor.

2.5.1.1. Comparaciones entre Instalaciones de Vapor,

Agua Sobrecalentada (A.S.C.) y Fluido Térmico

(F.T.)

Una ventaja común en las instalaciones de F.T. y A.S.C. frente a las instalaciones de vapor es que trabajan en circuito cerrado a consecuencia de los cuales:

Se elimina el riesgo de fugas y pérdidas en

trampas. No existen pérdidas de calor a causa de purgas

de caldera ni problemas asociados a su evacuación. Se reducen los problemas de conservación de líneas a causa de la corrosión e

incrustaciones. Figura 2-13. Caldera vertical de Fluido

Térmico

El trazado de tuberías resulta más sencillo al no tener que prever desniveles ni puntos de recolección de condensados.

La medición de consumos de calor es más sencilla. No hay que prever el almacenamiento de condensados y los posibles problemas asociados

a la revaporización de estos. Se eliminan gastos ocasionados por el tratamiento de agua.

2.5.1.2. Comparación entre Instalación de Vapor y F.T.

De una comparación entre las instalaciones de F.T. y A.S.C. (ver figuras 2-14 y 2-15) con las instalaciones de vapor, se deduce que para cada una existen ciertas ventajas e inconvenientes que en definitiva influyen decisivamente en la delimitación que más adelante se hace del campo de aplicación de las mismas.

A temperaturas superiores a 200 °C la presión del vapor saturado crece rápidamente, por ejemplo el vapor a 316 °C tiene una presión de 111 kg/cm2. Esto repercute en que el costo de la instalación de vapor sea mayor que la de fluido térmico cuando las temperaturas requeridas de utilización son elevadas.

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El generador de F.T. requiere una presión más baja para la misma temperatura lo que hace que pueda clasificarse en una categoría menos exigente respecto a la normativa de seguridad y funcionamiento.

Figura 2-14. Instalación de fluido térmico.

Figura 2-15. Instalación de agua sobrecalentada.



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2.5.1.3. Comparación entre Instalación de Vapor y A.S.C.

Como ventajas del A.S.C. se pueden indicar las ya citadas relacionadas con la distribución del calor a distancia o en redes complejas.

Como desventajas del A.S.C. se tienen las siguientes:

Los equipos de intercambio de calor requieren de mucha mayor superficie y volumen con

A.S.C. que con vapor, lo que complica y encarece la instalación. Existe riesgo cuando se producen roturas en tuberías del equipo de A.S.C. ya que ello

provocaría una disminución de la presión y la brusca evaporación de la masa de agua sobrecalentada.

Para una misma necesidad de calentamiento los caudales de agua y vapor a emplear son

muy diferentes. Por ejemplo para ceder 100.000 kcal a partir de agua sobrecalentada a 7,5 kg/cm2 retornando a la caldera a 120 °C se precisarían 1.886 kg de agua. Para ceder el mismo calor a partir de vapor a 7,5 kg/cm2 y la misma temperatura de entrada a la caldera se precisarían 184 kg de vapor, o sea 10,25 veces menos.

2.5.1.4. Comparación entre Instalación de A.S.C. y F.T.

Por otro lado, los fluidos térmicos comerciales en comparación con el agua tienen: Menos calor específico Menor peso específico Mayor viscosidad. Las dos primeras características obligan a transportar un mayor volumen de F.T. a igualdad de

calor transportado. La mayor viscosidad origina mayores pérdidas de carga y como consecuencia mayor consumo en la circulación del F.T.

Los F.T. son generalmente mezclas eutécticas de compuestos orgánicos (por ejemplo: óxido de

difenil-difenilo). En condiciones de utilización severas (usos más de 400 °C) existe riesgo de coquización. Su vida útil varía con la temperatura de utilización y con la posible exposición al aire que ocasiona su oxidación a altas temperaturas.

2.5.1.5. Instalación con Fluido Térmico

El generador El calentamiento del F.T. se realiza en hornos y calderas de circulación forzada con los gases

pasando por el exterior de los tubos y hogar con paredes refrigeradas por pantallas de tubos. Las calderas emplean tubos en forma de serpentín (las hay de dos y tres serpentines concéntricos) en el centro del cual se aloja la llama que cede el calor a los tubos. En la figura 2-13 se muestra una sección de caldera de F.T. con tres tubos concéntricos.

Debido a las altas temperaturas del fluido térmico (250 á 400 °C) en la caldera, los gases de

combustión la abandonan a temperaturas del orden de 300 á 450 °C. Pueden emplearse economizadores en la zona de convección para aprovechar parte del calor sensible de estos gases en el calentamiento de una parte del fluido térmico que intercambia calor con el aire de combustión. Esta aplicación debe llevarse acabo con precaución ya que puede ocasionar recalentamientos localizados

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en el generador y en el propio fluido a causa del aumento en la temperatura de llama debido al empleo de aire primario caliente. Las Bombas de Circulación

Serán adecuadas para funcionar a temperaturas elevadas. Los cierres y cojinetes estarán

refrigerados por agua. Los sistemas dispondrán de dos bombas, una de ellas de reserva o bien una sola con conexión al quemador para que este pare en caso de fallo de aquella. Deposito de Expansión o Pulmón

Tiene por finalidad compensar las diferencias de volumen por el calentamiento del fluido. Este

depósito suele estar presurizado con algún gas inerte, por ejemplo nitrógeno. El porcentaje de incremento de volumen es aproximadamente de 0,065 multiplicado por el aumento de temperatura en grados Celsius. En instalaciones de hasta 1.000 litros de capacidad, la capacidad del depósito se dimensiona en 1,5 veces el aumento de volumen, y si la capacidad es superior, en 1,3 veces. Depósito Colector o de Acumulación.

En el punto más bajo de la instalación se dispone el depósito colector capaz de retener todo el

fluido térmico de la instalación en caso de vaciado, desde este tanque se llena o repone el fluido térmico de la instalación mediante una bomba.

2.5.1.6. Instalación con Agua Caliente

En el esquema de la figura 2-15 puede verse que al haber regulación de la temperatura en cada punto de utilización existe riesgo de que la carga media demandada o caudal de agua circulante sea inferior al mínimo necesario para garantizar la correcta refrigeración de los tubos de la caldera, es por ello que está prevista la utilización de un regulador de caudal actuando sobre la válvula FC que comunica el colector de distribución y el de retorno. La regulación de temperatura del agua se realiza sin disminuir la circulación de agua por la caldera.

Las instalaciones de agua caliente utilizadas fundamentalmente en calefacción, están

equipadas con calderas humotubulares y su presión de trabajo es inferior a 0,5 kg/cm2 y la temperatura no alcanza los 100 °C. Para estos casos se utiliza el tanque de expansión abierto a la atmósfera, el cual recibe el agua de reposición a la vez que actúa como elemento de seguridad. La presión sobre la caldera será la presión estática determinada por la ubicación de este tanque.

2.6. Accesorios para la Operación y la Seguridad

Los accesorios para calderas son todos aquellos aparatos, instrumentos, conexiones y aditamentos íntimamente relacionados con las mismas o necesarios para su operación, control y mantenimiento. Son indispensables para la seguridad y economía de la caldera.

2.6.1. Válvulas de Paso. Asiento y Compuerta.

Son dispositivos empleados para permitir o interrumpir el paso del caudal de fluido a través de las tuberías o conducciones de la caldera.

En las válvulas de asiento el cierre se consigue mediante un vástago que desciende hasta un asiento metálico cuando se atornilla la válvula hacia abajo. Para abrir la válvula, se eleva el vástago, distanciándolo de su asiento mediante un movimiento en sentido contrario al indicado anteriormente.

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En las válvulas de compuerta, el paso queda libre o cerrado según la disposición que ocupe una compuerta desplazable con relación a la trayectoria que ha de seguir el fluido en la tubería correspondiente.

Excepto para las válvulas de seguridad y las de unión con sobrecalentadores y recalentadores, cada conexión de salida de vapor ha de incorporar una válvula de interrupción situada sobre el tubo de llegada de vapor, lo más cerca posible de la caldera y en un punto tal que permita un acceso fácil y cómodo a la válvula. Preferentemente, dicha válvula indicará de forma clara el estado de apertura o cierre de la misma.

Toda caldera de vapor saturado y sobrecalentado y todo recalentador ha de disponer de una válvula que pueda interceptar el paso de salida del vapor. Los recalentadores de vapor dispondrán asimismo de una válvula de seccionamiento en la tubería de llegada de vapor. Estas válvulas serán de cierre lento, fácil maniobra y husillo exterior. La velocidad de salida del vapor a través de ellas, para la máxima producción en régimen continuo, no debe sobrepasar 30 m/s para el caso de vapor saturado y 50 m/s en el caso de vapor sobrecalentado y recalentado. A la salida de cada uno de los aparatos alimentadores debe ir colocada una válvula de interrupción.

Cuando dos o más calderas trabajen en paralelo, cada una de ellas deberá llevar instaladas válvulas de interrupción en el circuito principal de agua para incomunicar la caldera con la instalación en el caso de avería o limpieza.

En calderas de agua caliente, la instalación de válvulas de cierre o separación entre las tuberías de subida y bajada de la caldera se efectuará de tal manera que quede asegurada la unión de la caldera al vaso de expansión, incluso con las válvulas cerradas. También se dispondrá una válvula de paso en el circuito de alimentación.

En las calderas manuales también se disponen válvulas de interrupción como sistema de seccionamiento manual del aporte de calor procedente de combustibles líquidos o sólidos pulverizados.

En las calderas automáticas de vigilancia directa que utilicen combustibles líquidos o sólidos pulverizados, a la entrada del combustible al quemador deberá ir colocada una válvula de cierre manual (además de las correspondientes válvulas de cierre automático).

2.6.2. Válvulas de Retención. Asiento, Clapeta y Disco.

Las válvulas de retención son dispositivos instalados en las conducciones de fluidos, que permiten el paso de los mismos en un sentido pero que impiden su retroceso posterior. Por eso se denominan también válvulas de retención o no retorno.

La denominación de los distintos tipos utilizados depende del elemento incorporado para retener o impedir el retroceso del fluido, y que, normalmente consiste en un vástago apoyado en su asiento, en una clapeta (especie de compuerta que bascula sobre un eje de fijación superior) o en su disco.

Recordemos que cada tubería de alimentación de agua para las calderas ha de estar dotada de una válvula de retención y otra de cierre, separadas, y situadas cerca de la caldera. Si hay un economizador, dichas válvulas se situarán a la entrada del mismo.

Cuando se una más de una caldera a un colector común o a un distribuidor de vapor, la conexión de vapor de cada una de estas calderas llevara, por lo menos, una válvula de cierre y una válvula de retención, con un drenaje libre de purga entre ambas o un sistema de seguridad similar. La válvula de retención será, preferiblemente, de tipo combinado de cierre y retención, y estará situada lo más cerca posible de la caldera.

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A continuación, indicaremos algunos de los lugares en que van instaladas las válvulas de

retención, según las distintas calderas y conforme a las normas internacionales:

a) En calderas de vapor saturado, sobrecalentadores y recalentadores de vapor, así como en calderas de agua sobrecalentada:

Dos válvulas de retención en la tubería de alimentación de agua desde la bomba: una

muy cerca de la caldera y la otra a la salida de la bomba. La que está situada cerca de la caldera estará separada de ésta por una válvula de interrupción, pudiendo sustituir ambas por una sola válvula mixta de interrupción y retención. Si existe un economizador incorporado a la caldera de vapor, estas válvulas irán montadas a la entrada del economizador. Si existe más de una bomba con tuberías comunes, a la salida de cada una de ellas irá una válvula de retención y a continuación otra de interrupción.

Una válvula de retención en la tubería de salida de vapor de cada unidad que forme parte de un grupo de calderas o recalentadores con un colector común.

Una válvula de retención en la tubería de alimentación de agua que proceda de la red de distribución publica.

b) En calderas de agua caliente:

Una válvula de retención en el circuito de alimentación, sin embargo, esta válvula puede

sustituirse por una manguera flexible que sólo se una a la red de distribución publica, o bien suprimirse en el caso de que el agua de alimentación se vierta directamente en un vaso de expansión abierto.

c) En calderas automáticas:

Tanto si son de vigilancia indirecta como de vigilancia directa y si utilizan combustibles

líquidos, se incorporará una válvula de retención cuando el quemador sea del tipo de variación de caudal por modificación de la presión de retorno, para obturar este retorno. No obstante, podrá suprimirse dicha válvula de retención si la propia válvula de regulación de la presión de retorno actúa como válvula de retención.

2.6.3. Válvulas de Seguridad

Las válvulas de seguridad son los dispositivos empleados para evacuar el caudal del fluido necesario en una caldera de vapor, economizador, sobrecalentador y recalentador de tal forma que no se sobrepase la presión de timbre del elemento correspondiente.

Las válvulas de seguridad de calderas, sobrecalentadores y recalentadores se caracterizan por una apertura rápida y total, no proporcional al aumento de presión. Estas válvulas de seguridad serán siempre de resorte y estarán provistas de mecanismo de apertura manual, debiéndose cumplir la condición de que la elevación de la válvula deberá ser ayudada por la presión de vapor evacuado.

La válvula de seguridad para economizadores, denominada normalmente de alivio, se caracteriza por una apertura automática y proporcional cuando la presión sobrepasa el valor del timbre.

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Hay dos tipos de válvulas de seguridad:

a) Válvulas de seguridad de elevación media. b) Válvulas de seguridad de elevación total.

Según el mayor o menor levantamiento de la válvula, ayudado por la presión del vapor

evacuado. Y dentro de dichos tipos hay diversas variantes:

1. Por su agrupación:

a) Válvula de seguridad sencilla, que es la que aloja en su cuerpo un solo asiento de válvula.

b) Válvula de seguridad doble o múltiple, que es la que se aloja en su cuerpo dos o más

asientos de válvulas.

2. Por sus conexiones: a) Embridadas. b) Soldadas. c) Roscadas. Elementos

Una válvula de seguridad, como se

muestra en la figura 2-16, puede estar constituida de muchos elementos, aislados o integrando varios de ellos en un solo componente, alguno de ellos son: 1) cuerpo, 2) cúpula o arcada, 3) caperuza, 4) tobera, 5) asiento, 6) disco de cierre u obturador, 7) anillo de ajuste, 8) tornillo de fijación del anillo de ajuste, 9) deflector, 10) tapa guía, 11) vástago, 12) resorte, 13) precinto, 14) tensor, 15) palanca de apertura manual, y 16) orificio de purga. Terminología

Se llama presión de timbre o de tarado a la presión a la cual se dispara la válvula, que en ningún caso será superior a la máxima especificada para esa válvula.

Figura 2-16. Válvula de seguridad a resorte Sobrepresión es el incremento de presión que se produce por encima de la presión de timbrado

estando la válvula completamente abierta.

La presión de cierre es aquella presión a la que se cierra la válvula una vez desaparecida la

causa que motivó su apertura.

Recierre es la diferencia entre la presión de timbrado y la de cierre.

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Figura 2-17. Instalación de válvula de seguridad

Funcionamiento

Brevemente, podemos decir que en el caso de válvulas de seguridad de apertura instantánea, al producirse una perturbación en el sistema (es decir, una elevación de la presión próxima a la de tarado), el asiento de cierre se separará ligeramente del asiento de la tobera y dejara salir algo de vapor, lo que se traducirá finalmente en que la válvula se mantendrá completamente abierta mientras no disminuya la perturbación; posteriormente, si dicha perturbación desaparece, la válvula se cierra por sí sola a una presión ligeramente inferior a la de tarado. En el caso de las válvulas de alivio, el funcionamiento es análogo, sólo que la sección descubierta es proporcional al caudal a evacuar. Levantamiento

Cada válvula de seguridad dispondrá de una palanca de apertura manual que permita descargarla a una presión inferior a la de tarado y que impida a la válvula quedarse levantada o fuera de su asiento cuando deje de aplicarse la fuerza exterior que produjo el levantamiento. Construcción

Se construirán de tal forma que la rotura de cualquier pieza de ellas no dificulte la libre descarga del vapor de la caldera. Los cierres y vástagos no podrán salirse de su guía ni agarrotarse y, además, los vástagos irán provistos de empaquetaduras o prensaestopas. En caso de rotura del resorte no

podrá producirse el lanzamiento del vástago y cierre*. Los materiales empleados serán adecuados a las condiciones de servicio. Instalación

Las válvulas de seguridad irán montadas sin válvula intermedia sobre conexiones planas o tubulares utilizadas sólo para este fin con sección mínima igual a la suma de las secciones de todas las válvulas montadas en ellas. Si van sobre tubuladuras, estas serán tan cortas como sea posible.

Todas las válvulas de seguridad estarán dotadas de tuberías de escape independientes dispuestas y apoyadas de forma tal que: 1) se eviten tensiones indebidas sobre las válvulas, y 2) se eviten acumulaciones de condensados que reduzcan el caudal de vapor. Dichas tuberías de escape tendrán una sección de evacuación apropiada para evitar contrapresiones en las válvulas que descargan en ellas, y en ellas no podrán intercalarse ninguna otra

válvula. No se colocarán llaves ni válvulas en las tuberías de purga. En la Figura 2-17 se puede

apreciar la instalación de una válvula de seguridad.

* La válvula de seguridad tendrá en su cuerpo un orificio de purga situado a un nivel inferior del borde

superior de la tobera.

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Requisitos generales para válvulas de seguridad en calderas acuotubulares y humotubulares. En general, se recomienda que:

a) Cada caldera tenga, por lo menos, dos válvulas de seguridad. b) Cada recalentador o sobrecalentador disponga en su salida de, por lo menos, una válvula de

seguridad. c) Los asientos de las válvulas de seguridad tengan un diámetro interior de 15 mm como

mínimo. d) Se monte un dispositivo rompedor de vacío, cuando puedan producirse presiones inferiores

a la atmosférica en calderas no diseñadas para tales condiciones. e) Las válvulas de seguridad se fabriquen de tal forma que resulte imposible sobrepasar la

presión máxima de tarado en más de un 10 %.

Y, además, está totalmente prohibido intercalar válvulas de interrupción entre la caldera y sus válvulas de seguridad o entre éstas y su punto de descarga. Requisitos legales vigente sobre válvulas de seguridad.

1. Toda válvula instalada en calderas deberá llevar troquelada la presión nominal para la que

haya sido construida.

2. Todas las válvulas de seguridad instaladas en calderas serán de sistema de resorte y dispondrán de mecanismo de apertura manual y regulación precintable. Es condición imprescindible que la elevación de la válvula deberá ser ayudada por la presión del vapor evacuado.

3. No se permitirá el uso de válvulas de seguridad de peso directo ni de palanca con contrapeso.

4. Toda caldera de vapor saturado llevará como mínimo dos válvulas de seguridad independientes una precintada a la presión de diseño como máximo y la otra un 3 % por encima de esta presión. No obstante, las calderas en las que el producto de la presión efectiva máxima de servicio en la instalación (en Kgf/cm2) por el volumen (en m3) de agua a nivel medio (en calderas con nivel definido), o por el volumen total de las partes a presión (en calderas sin nivel definido), sea menor o igual a 10, podrán disponer de una sola válvula de seguridad.

5. El vapor evacuado, procedente de las válvulas de seguridad, se realizará de forma tal que no pueda producir daños a personas o a bienes.

6. En ningún caso se instalará entre una caldera y cada una de sus válvulas de seguridad una válvula de cierre (salvo que disponga de un dispositivo eficaz que imposibilite su maniobra a cualquier persona no autorizada).

7. Los sobrecalentadores de vapor que puedan permanecer bajo presión con independencia de la caldera llevarán como mínimo una válvula de seguridad.

8. La caldera que incorpore un sobrecalentador, sin interposición de una válvula de interrupción, dispondrá, al menos, de una válvula de seguridad en dicho sobrecalentador, cuya presión máxima de precinto será siempre inferior a la presión menor de precinto de las válvulas de seguridad de la caldera.

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Si dicha caldera tiene una producción de vapor superior a 100 t/h, se admitirá, además de las válvulas de seguridad de resorte correspondientes, la instalación de válvulas de seguridad accionadas por válvulas piloto.

9. Los recalentadores de vapor deberán llevar una o más válvulas de seguridad, y una de ellas, como mínimo, estará situada en la salida del recalentador.

10. Todas las calderas de agua sobrecalentada dispondrán de dos o más válvulas de seguridad de alivio independientes, una de las cuales, al menos, estará precintada a la presión de diseño o por debajo de ésta. Al igual que vimos en el apartado 4, se exceptúan las calderas cuyo P x V< 10, que podrán disponer de una sola válvula.

11. Todos los economizadores precalentadores de agua llevarán al menos dos válvulas de seguridad de alivio cuando exista una válvula de seccionamiento entre el economizador y la caldera.

12. Las calderas de agua caliente calentadas indirectamente con vapor hasta 0,5 Kgf/cm2 o agua hasta 110 °C dispondrán de una tubería de seguridad de 25 mm de diámetro interior, como mínimo, en comunicación libre con la atmósfera por el vaso de expansión o con una válvula de seguridad que impida que la presión exceda la presión total de trabajo en más de 1 kgf/cm2.

13. Las calderas de agua caliente con combustibles sólidos o gaseosos hasta 300.000 kcal/h, controladas termostáticamente, y con presión estática en el punto más bajo de la caldera no superior a 15 m de columna de agua, instaladas con vaso de expansión cerrado, dispondrán de una válvula de seguridad en la tubería de unión a dicho vaso.

14. En las instalaciones de transmisión de calor mediante fluido térmico (distinto del agua), del tipo cerrado, se dispondrá una válvula de seguridad que asegure la instalación, impidiendo que la sobrepresión en el depósito de expansión pase de un 10% sobre la presión máxima permitida.

15. En las calderas automáticas también se dispondrán las válvulas de seguridad correspondientes a su funcionamiento (vigilancia directa o indirecta).

2.6.4. Válvulas de Descarga Rápida

Son válvulas de maniobra o de apertura rápida, empleadas principalmente para efectuar la purga de calderas de una forma completa. Se conoce con el nombre de purga de desahogo o evacuación de una cierta cantidad de agua de la caldera, preferentemente de aquella que contenga una concentración muy alta de sales o precipitados. Recordemos que, para economizar, el agua de purga se puede pasar por uno o varios intercambiadores de calor con o sin vasos de expansión; así, el agua procedente de la purga se puede utilizar para calentar el agua de alimentación.

La purga en el fondo de la caldera sirve para reducir las concentraciones de sales y de sólidos no disueltos, cuando no exista purga continua.

En la legislación vigente se exige que toda caldera deberá poseer dispositivos de drenaje y aireación. En el caso de calderas de vapor, se exigirá, además, un dispositivo de purga a presión.

En las tuberías de drenaje se instalará una válvula de cierre. En cada tubería de purga intermitente o de extracción de lodos deberá instalarse una válvula de interrupción, pudiendo instalar a continuación una válvula de apertura rápida por palanca. La válvula de drenaje y las válvulas de purga podrán sustituirse por una sola válvula mixta de cierre y descarga rápida.

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Las válvulas ante citadas no serán inferiores a las DN 20 (siendo DN el diámetro nominal en

milímetros) ni superiores a DN-50.

2.6.5. Válvulas de Purga Continua

Como ya se ha dicho, en las calderas en las que se requiere cantidades apreciables de agua, se produce un aumento gradual de las sedimentaciones de sales solubles en el agua de la caldera, salvo que el agua de alimentación sea sometida a un tratamiento previo, para extraer todas las sales. En la caldera, las sales se eliminan por medio de purgas que se efectúan de forma periódica o continuamente. Si se trata de purga continua, es posible aprovechar el calor de los productos purgados para precalentar el agua de alimentación.

La legislación vigente dice al respecto que, cuando proceda la purga continua, se colocarán dos válvulas: la primera de cierre y la segunda de tipo de aguja micrométrica con indicador de apertura o de otro tipo especial para su cometido.

El exceso de sales disueltas en la caldera produce espumas en la zona de evaporación, por lo que las burbujas de vapor se ven dificultadas para salir del agua, con el consiguiente aumento de energía necesaria que se traduce en una mayor velocidad de desprendimiento que tiene por efecto aumentar la posibilidad de arrastre de agua a la línea de vapor a consumo. Las normas internacionales correspondientes a la calidad del agua en el interior de las calderas indican la cantidad máxima de sales que puede existir en la caldera, por lo que es necesario purgar ésta de una forma racional.

Como hemos indicado, si existe un exceso de sales disueltas se producen espumas, y como éstas están en la superficie de evaporación es en este punto donde debe purgarse, por medio de un sistema continuo y en la proporción requerida para no purgar demasiado (despilfarro de agua y energía) o poco (en este caso continuaría existiendo el problema de las espumas). Así pues, la apertura o posición de la válvula de purga continua deberá ajustarse en función de la calidad del agua de alimentación y de la producción de vapor de la caldera. Este ajuste puede ser manual o por medios automáticos, por medio de sistemas que controlan en continuo la salinidad del agua de la caldera y en función de esta señal actúan automáticamente sobre la válvula de purga.

2.6.6. Indicadores de Nivel. Válvulas y Columna

Las calderas de nivel de agua definido dispondrán de dos o más indicadores de nivel de agua (excepto en las que P x V < 10, que dispondrán de un solo indicador), con la superficie frontal transparente. Dicho indicador se montará de tal forma que la parte visible más baja de la superficie frontal transparente quede 70 mm, como mínimo, por encima del punto más alto de la superficie de calefacción.

Los tubos y accesorios para la conexión del indicador de nivel con la caldera serán lo más cortos posibles y estarán dispuestos de tal forma que no quede entre la caldera y el indicador cavidad alguna sin drenaje de agua, además, dichos tubos y accesorios no tendrán más salidas que las necesarias para los reguladores de amortiguación, reguladores de agua de alimentación, manómetros de vapor, purgas y otros equipos similares que no permitan el escape en cantidades significativas de vapor y/o agua.

Los indicadores de nivel llevarán tapones, a efectos de limpieza, y llaves o válvulas de purga. Veamos ahora, qué exigen las normas internacionales sobre el nivel del agua y sus indicadores.

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El nivel mínimo de agua en el interior de una caldera debe mantenerse por lo menos 70 mm

más alto que el punto más elevado de la superficie de calefacción. En las calderas acuotubulares, la distancia se tomará en relación al borde superior del tubo de bajada que esté situado en la parte más alta del domo.

El nivel medio del agua estará situado, como mínimo, a 50 mm por encima del nivel límite definido en el párrafo anterior. Ambos niveles se marcarán de modo bien visible sobre el indicador de nivel. Toda caldera cuyo P x V > 10 estará provista de dos indicadores de nivel, independientes entre si, y cuyas comunicaciones con el cuerpo de la caldera sean también independientes entre si.

No obstante, se admitirá una sola comunicación con la caldera para los dos indicadores de nivel distintos cuando la sección de la conducción en cuestión sea, como mínimo, de 50 cm2 para el líquido y de 10 cm2 para el vapor.

Los conductos de unión de los indicadores de nivel con las cámaras que contienen el líquido y el vapor serán, como mínimo, de 25 mm de diámetro interior; el radio interior de las curvas será, al menos, igual a una vez y media de diámetro del tubo y no deberá permitir la formación de sifones. No obstante, para conductos de unión rectos y de longitud inferior a 30 cm el diámetro interior del conducto podrá ser de 20 mm.

Los indicadores de nivel deberán estar colocados en sitio fácilmente visible para el personal encargado del mantenimiento de la caldera. Cuando los indicadores de nivel disten más de 8 m de la plataforma de conducción o del lugar donde permanezca normalmente el operador de la caldera, ésta deberá ir dotada de dos dispositivos independientes que transmitan la posición del nivel de agua a un lugar que no diste del operador más de 4 m.

En todas las calderas se utilizarán indicadores de nivel del tipo de caja refractora y se montarán de forma tal que permita fácilmente su comprobación, limpieza y sustitución.

Todos los indicadores de nivel dispondrán de las correspondientes llaves que permitan su incomunicación con la caldera y de una válvula de purga.

Es necesario resaltar el hecho cierto de que el control del nivel de agua en una caldera es básico para la seguridad de la misma.

Si por cualquier causa el nivel de agua en el interior de la misma descendiese de forma que las superficies de calefacción quedasen descubiertas, éstas podrían ir aumentando de temperatura y alcanzar valores tales que su resistencia fuese inferior a la de diseño de la caldera, provocándose en este momento su deformación o eventual rotura y los consiguientes daños a la caldera, o máquinas y personas que pudiesen existir en la sala de calderas.

Es pues necesario disponer siempre de una buena visibilidad del nivel de agua en la caldera, manteniendo los indicadores de nivel en perfecto estado de servicio.

2.6.7. Controladores de Nivel por Flotador y por Electrodos.

Tal como se ha visto en el punto anterior el nivel de agua en la caldera es fundamental, por lo que si la caldera es de funcionamiento automático deberá existir un mecanismo que nos mantenga el nivel de agua de la caldera actuando sobre la cantidad de agua de alimentación, así como un mecanismo que detenga la combustión, si por cualquier causa este nivel desciende del límite de seguridad.

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De entre los sistemas más usuales, destacamos los flotadores y los electrodos. El control de

nivel por flotador consiste básicamente en una boya que sigue los movimientos del plano de agua y en correspondencia con el consiguiente mecanismo actúa sobre la bomba de agua, por medio de unos contactos que abren o cierran el circuito eléctrico de mando del motor de la bomba de agua (sistema de alimentación de agua todo o nada). Si los movimientos del flotador actúan sobre un vástago metálico dentro de un campo eléctrico, estos movimientos variables darán una mayor o menor variación de una intensidad de corriente que nos permitirá actuar sobre el mando eléctrico de una válvula motorizada que abrirá o cerrara proporcionalmente al nivel de agua. En este caso la bomba de alimentación de agua está siempre en servicio y la alimentación de agua se llama en este caso continua.

A una determinada posición del flotador (nivel bajo) se utiliza el sistema de apertura de contactos para parar la combustión.

Estas funciones pueden ser igualmente realizadas por medio de electrodos sumergidos en el agua de la caldera de forma que si el agua utilizada como puente eléctrico entre los electrodos sube o baja cierra o abre el circuito eléctrico correspondiente.

Pero veamos las normas internacionales al respecto:

Toda caldera (automática) de vapor, agua sobrecalentada y agua caliente, que posea un nivel de agua definido, deberá estar provista de dos dispositivos independientes que provoquen el paro del sistema de aporte calórico inmediatamente antes de que el nivel de agua llegue al mínimo establecido (ver párrafo anterior sobre indicadores de nivel de agua). Uno de los dispositivos estará desfasado con relación al otro, a fin de que el segundo actúe como seguridad del primero. Cada uno de los dispositivos estará constituido por un emisor de señal accionado por medio de flotador, termostato de marcha en seco o electrodo y por un mecanismo que, bajo este impulso, interrumpa el aporte de combustible. Estos componentes del sistema de seguridad deberán ser independientes y actuarán además sobre la señal acústica.

Los dispositivos de seguridad indicados deberán ser independientes de todos los que aseguren la conducción automática de la caldera, y su papel se reducirá a interrumpir el aporte de calor y a advertir de la posición del nivel. No obstante, las calderas que, para la detección de nivel, utilicen un flotador como primera seguridad de falta de agua, podrán emplear dicho flotador para el mando automático del sistema de alimentación de agua. La eficacia de estos dos sistemas de seguridad se podrá verificar de una forma efectiva provocando su funcionamiento por una bajada voluntaria del nivel de agua de la caldera hasta el límite inferior de cada automatismo.

La colocación de estos automatismos seguirá alguno de los siguientes sistemas:

a) Cámaras independientes para cada dispositivo, directamente unidas a la caldera o conectadas a una cámara común intermedia.

b) Cámara común, que aloje en su interior los dispositivos de control de nivel para mando del

sistema automático de alimentación de agua y primera seguridad de falta de nivel, conectada a la caldera. La segunda seguridad estará instalada independientemente de esta cámara o conectada a la misma.

c) Alojar los dos sistemas de seguridad en el interior de la caldera. En el caso de flotadores y

electrodos se dispondrán los correspondientes rompeolas a fin de evitar los movimientos del plano de agua en la zona del mecanismo detector. La acción de estas seguridades deberá ser imperativa, de tal forma que aunque retorne a su posición normal, el aporte de combustible continuará bloqueado y seguirá funcionando la

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alarma acústica, necesitándose una acción manual del operador de la caldera para su nueva puesta en servicio, tras constatar la causa de la anomalía.

d) Cuando se utilicen electrodos de nivel como dispositivos de seguridad de nivel mínimo, se

dispondrán dos electrodos de tal forma que la corriente eléctrica cierre el circuito vía el segundo y no, vía la masa metálica de la caldera, y la tensión máxima entre fases no excederá de 24 voltios.

Para las calderas inundadas se exige un control de nivel mínimo situado en el depósito de

expansión. También se exigen limitadores de nivel en las calderas de fluido térmico.

En las figuras 2-18 se representa en un esquema simple las zonas de actuación de los controles y seguridad por nivel de agua.

Figura 2-18. Esquema de actuación de los controladores de nivel y seguriadad.

En regulación continua, el regulador de nivel envía una señal a la válvula de entrada de agua

en la caldera que abre o cierra más, de forma que entra a la caldera una cantidad variable de agua, para mantener dicho nivel entre dos valores próximos; es decir, el nivel varía en un intervalo pequeño.

En caso de que por alguna razón el nivel descienda por debajo del valor mínimo, entonces el

sensor de nivel actúa deteniendo la marcha del quemador, similar acción toma si el nivel se eleva por encima del valor máximo.

2.6.8. Limitadores de Nivel Termostático

Estos aparatos, se utilizan para parar la combustión como segundo limitador de nivel.

Su funcionamiento se basa en el cambio de temperatura que sufre un elemento sumergido en el agua y calentado por una resistencia cuando al descender el nivel de agua queda descubierto y por lo tanto al no ser refrigerado aumenta su temperatura que se detecta por el termostato correspondiente que abre el circuito de mando del quemador.


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En su instalación debe preverse la correspondiente inercia de funcionamiento, por lo que deberá montarse por encima del punto de nivel en que se quiere que actúe.

2.6.9. Manómetros y Termómetros

a) Manómetros. Son aparatos para medir la presión.

Toda caldera deberá disponer de un manómetro indicador de la presión del vapor, con un diámetro de esfera de 200 mm como mínimo, unido directamente con la cámara de vapor. Además, en la tubería de entrada de agua de alimentación ira instalado otro manómetro con las mismas características que el anterior. En caso de existir dos bombas de alimentación serán dos los manómetros.

El manómetro estará unido con un sifón u otro dispositivo similar de capacidad suficiente para mantener el tubo del manómetro lleno de agua. Este tubo será de suficiente calibre y, de ser posible, dispondrá de un sistema de purga.

Las uniones del manómetro serán las adecuadas para la presión de servicio y la temperatura del vapor previstos en la caldera respectiva.

Los manómetros dispondrán de una escala graduada en las unidades apropiadas y con un margen adicional no inferior al 50 % de la presión de servicio; aunque es preferible que dicha escala sea válida para presiones de hasta dos veces la de servicio. En la escala se verá claramente marcada la presión de servicio máxima admisible en la instalación.

Estos manómetros serán de sensibilidad de clase 4, como mínimo. Por el tipo de construcción de los manómetros, éstos no son fiables ni al principio ni al final de la escala en que la presión que indican es sólo orientativa de la presión real y solamente coincide la presión marcada con la real en la zona central de su escala.

Un manómetro de sensibilidad 4 quiere decir que su escala es fiable del 25 al 75 % de la misma por lo que la presión de servicio de la caldera deberá estar por su zona central aproximadamente. (Deseable sobre el 60 al 65 % de la misma.)

Veamos un ejemplo: Si una caldera trabaja a 10 Kg/cm2 la escala del manómetro deberá alcanzar los 16 Kg/cm2 de forma que 10 Kg/cm2 será el 62,4% de su escala. Este manómetro será coincidente con la presión real desde 4 Kg/cm2 hasta los 12 Kg/cm2.

Los manómetros estarán montados sobre una válvula de tres vías con una brida de 40 mm de diámetro para sujetar en ella el manómetro patrón con el que deben realizarse las pruebas de la caldera. Sin embargo, en el caso de calderas cuya presión lo requiera, en lugar de la placa-brida antes citada se dispondrá una conexión adecuada para la instalación de dicho manómetro patrón.

En las calderas de agua caliente, el manómetro es reemplazado por un hidrómetro o indicador de altura de nivel de agua graduado en metros que, visible desde el puesto de trabajo del operador de la caldera, dé a conocer en todo instante la presión estática de la instalación.

Entonces, será conveniente conocer en todo momento:

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Presión del vapor. Ya indicado anteriormente. Presión en el hogar. Esta presión influye en la forma de funcionamiento del circuito de

gases y en las características físicas de la llama. La influencia es diferente según se trate de calderas de tiro aspirado o forzado.

Presiones en varios puntos del circuito de gases.

Presión de combustible

Presión de aire de combustión.

Presión del agua de alimentación.

b) Termómetros. Son aparatos para medir la temperatura.

Las calderas, economizadores, precalentadores de agua, sobrecalentadores y recalentadores de vapor dispondrán de su correspondiente termómetro con una señal bien visible en rojo, que indique la temperatura máxima de servicio. Sin embargo, se exceptúa de esta regla las calderas automáticas de vapor saturado.

En particular, las calderas dotadas de sobrecalentador y/o recalentador deberán incorporar un termómetro indicador de la temperatura de vapor, con un diámetro de esfera de 100 mm como mínimo, unido directamente con la cámara de vapor por medio de un bulbo de inmersión de acero inoxidable. El termómetro ira unido a la caldera mediante rosca o bridas, adecuadas para las condiciones de presión y temperatura previstas.

Será conveniente entonces conocerse en todo momento:

Temperatura del agua de alimentación, a la entrada y salida del economizador y de

cualquier otro equipo de calentamiento de agua.

Temperatura del vapor, tanto la saturación como las de recalentamiento y sobrecalentamiento.

Temperatura de los gases en diferentes puntos del circuito:

Salida de la caldera. Entrada y salida del recalentador. Entrada y salida del calentador de aire.

Entrada y salida del economizador. Entrada y salida de cualquier otro equipo recuperador del calor de gases.

Temperatura del aire, a la entrada y salida del calentador de aire.

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2.6.10. Presostatos y Termostatos

Entre los dispositivos automáticos de seguridad para las calderas figuran los presostatos (limitadores o reguladores de presión) y los termostatos (limitadores o reguladores de temperatura). Los presostatos se utilizan:

Para detectar una presión alta del fluido calórico en calderas automáticas y manuales de vapor y calderas de circulación forzada de fluido térmico, en las que actúa mediante el bloqueo del sistema de aporte calorífico y operación de la alarma acústica; así como en calderas de recuperación de calor de los gases, en las que actúa (al detectar, como dijimos, alta presión del fluido calórico) abriendo la válvula de «by-pass» y disparando la alarma o señal acústica.

Para detectar baja presión del combustible, en calderas automáticas de combustibles

líquidos (pesados) con potencia térmica superior a 3.000.000 kcal/h en las que opera impidiendo su puesta en funcionamiento.

En calderas de circulación forzada de fluido térmico y agua sobrecalentada,

sobrecalentadores y recalentadores se suele utilizar un presostato diferencial para detectar cuando el caudal del fluido térmico está por debajo de su nivel normal. Dicho presostato diferencial actúa bloqueando el sistema de aporte calorífico.

En calderas automáticas de gas se incorpora un presostato para detectar los posibles fallos

del aire de combustión y, en caso de producirse éstos, bloquear el sistema de aporte calorífico y disparar la alarma acústica.

En cuanto a los termostatos, se utilizan:

Para detectar la falta de agua en calderas de vapor, debido bien sea al bajo nivel del agua

de la caldera (en calderas de nivel definido), ya sea por la alta temperatura del vapor (en calderas sin nivel definido). En ambos casos, los termostatos actúan bloqueando el sistema de aporte calorífico y disparando la señal acústica. Se dispondrán dos termostatos de los indicados tanto en las calderas de funcionamiento manual como en las automáticas de vigilancia indirecta, admitiéndose el empleo de uno solo en el caso de calderas automáticas de vigilancia directa.

Para detectar una alta temperatura del fluido, en calderas automáticas de agua caliente, de

agua sobrecalentada y de fluido térmico, así como en sobrecalentadores y recalentadores. En todos los aparatos mencionados el termostato actúa bloqueando el sistema de aporte calorífico y poniendo en marcha la señal acústica.

Para detectar altas temperaturas del fluido en calderas automáticas de recuperación de calor

de gases, en las que opera abriendo automáticamente la válvula de «by-pass». Para detectar bajas temperaturas del combustible, en calderas automáticas de combustibles

líquidos (pesados), en las que, llegado el caso, actúan impidiendo su puesta en funcionamiento. Finalmente, insistiremos en que cuando los sobrecalentadores y recalentadores de vapor

dispongan de un sistema de aporte de calor independiente del de la caldera, y sean exteriores a la misma, han de llevar incorporados los correspondientes dispositivos de paro y regulación del sistema de aporte calórico, en función de la temperatura del vapor; es decir, los correspondientes termostatos.

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Control y Seguridad en la presión

En resumen una caldera deberá estar equipada con los siguientes controles por presión: Presostato modulante o su equivalente. Presostato de alta o de 1º de corte por alta presión. Presostato límite o de 2º corte por alta presión (no s obligatorio). Válvulas de seguridad de la caldera. Válvula de seguridad del sobrecalentador. En la figura 2-19 se indican en un esquema simple las zonas en las que actuaría cada uno de

los anteriores equipos y su función.

Figura 2-19. Actuación de los sistemas de seguridad y control por presión. Como se ha visto en la figura mientras la caldera funciona normalmente, el presostato

modulante interviene en el control de la combustión, permitiendo las entradas de combustible y de aire comburente adecuadas, para que la presión se mantenga entre los valores aproximados a los de consigna.

Sin embargo, puede ocurrir en alguna circunstancia especial (por ejemplo, en el momento en

que la demanda de vapor decrece de forma brusca y no responda de forma rápida al control de la combustión o por avería del presostato modulante), que la presión de vapor alcance un valor superior al límite máximo de la zona de regulación.

En estas condiciones la presión del vapor alcanza el valor de tarado del presostato de alta, y

éste para el quemador. Superada esta circunstancia especial, decrece la presión y el quemador no vuelve a arrancar automáticamente.

Si la causa ha sido la avería del presostato modulante, el quemador no arranca porque se lo

impide el presostato de alta. Por lo tanto, este presostato es la primera barrera de seguridad.


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Si además del fallo anterior, fallase el presostato de alta, la presión de vapor aumentaría hasta alcanzar el valor de tarado del presostato límite y este último pararía al quemador. Como en el caso anterior solamente se puede arrancar manualmente. Por lo tanto, el presostato límite es la segunda barrera de seguridad.

Si además de averiarse los presostatos modulantes y de alta, se produjera el fallo del

presostato límite, la presión del vapor seguiría aumentando hasta llegar al valor de tarado de las válvulas de seguridad, las cuales dispararían permitiendo salir vapor al exterior, aliviando la presión en el interior de la caldera y evitando su "explosión" por sobrepresión. Por lo tanto, las válvulas de seguridad constituyen la tercera y última barrera de seguridad.

2.6.11. Célula Fotoeléctrica

La célula fotoeléctrica detecta la intensidad de la llama y está situada próxima al quemador. Si la intensidad es insuficiente, por falla de encendido, o apagado de la llama se detiene totalmente el funcionamiento del equipo.

2.6.12. Alarmas Ópticas y Acústicas

Siempre que para el quemador se activa una alarma acústica, que obliga al operador a acudir al panel de control para detectar la causa que la activó.

Además, existen las alarmas ópticas (o señalizaciones) que indican el funcionamiento o la

falla de los diferentes equipos y componentes de la caldera.

Partes de control de la caldera Es importante que periódicamente (cada hora, por ejemplo) se comprueben las variables de

funcionamiento de la caldera y sus instalaciones auxiliares y se refleje en un parte de control. Este parte debería contener: Fecha y hora Unidad Caudales de: Vapor Agua Combustible Aire comburente Datos de la combustión: % de CO2 + SO2 % de 02 Exceso de aire

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Temperaturas de: Combustible Vapor Agua antes y después del economizador Aire antes y después del economizador Gases antes y después del economizador Gases antes y después del calentador de aire Presiones de: Combustible Vapor en y salida de caldera Bombas de alimentación de agua Combustible Aire en diferentes puntos del circuito Gases en diferentes puntos del circuito Indicar si se han efectuado antes operaciones especiales como soplado, purgas,

comprobación de niveles, etc., así como si se han producido acontecimientos especiales. En calderas de vapor de cierto tamaño es aconsejable el auxilio de un sistema informático que

reciba la información, la procese, y la facilite cuando sea requerida por los responsables.

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3. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE CALDERAS HUMOTUBULARES.

3.1. Hogares Lisos y corrugados

En general, los hogares son de forma circular soportados entre la placa tubular frontal de la caldera y la placa delantera de la cámara de hogar.

Su forma cilíndrica alargada es debida a que normalmente se diseña para que sea envolvente de la llama y por reglamento además, se obliga a que su longitud sea superior a la longitud de la llama, de forma que la combustión se complete en el mismo.

Por ser pues, el hogar la parte más importante y a la vez más delicada de la caldera, porque de una parte de su diseño geométrico depende que pueda realizarse una buena formación de la llama y por lo tanto se complete perfectamente en el mismo la combustión de la totalidad del combustible aportado. Por otra parte, por estar sometido a la acción de la llama y su alta temperatura, es necesario dotarlo de la resistencia y dilatabilidad necesarios para que cumpla con las normas de seguridad correspondientes al Código de diseño empleado.

El hogar liso es un cilindro de pared lisa cuya dilatabilidad se obtiene conformando ya sea sus extremos en forma ondulada o añadiendo en su parte intermedia una o más ondas de dilatación. Como según Código de diseño no se permite que su espesor sea superior a 22 mm con el fin de que la temperatura de la chapa no supere valores determinados según la calidad del material empleado en su construcción, se puede aumentar su resistencia por medio de anillos rigidizadores soldados circularmente al hogar.

El hogar corrugado, es igualmente un hogar cilíndrico en que su generatriz sigue una línea curva sinuosa en forma de ondas de diverso tipo comúnmente aceptadas en el mercado.

Con esta disposición se logra la dilatabilidad y rigidez necesaria, aunque en determinados casos de condiciones extremas de servicio de la caldera, pueden los hogares ondulados incluir rigidizadores circulares similares a los indicados para los hogares lisos.

En las revisiones periódicas que se deben realizar en la caldera es muy importante controlar:

Que la corrosión o desgaste de cualquier punto no supere un valor de 1 mm, tolerancia que permite el Código de diseño de la caldera.

Que el ovalamiento que pueda presentar la sección circular del hogar no sea superior a 1,5

% del diámetro interior del hogar en el hogar liso y del 1% en el hogar ondulado.

3.2. Caja de Humos del hogar

Una vez completada la combustión en el hogar, las calderas de tubos de humo o humotubulares, según sea su diseño, pueden incorporar tras el hogar una cámara para permitir que los gases de la combustión entren en el haz tubular.

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Según sea el diseño de esta cámara se distinguen estos tipos fundamentales:

a) Calderas de fondo húmedo, cuya envolvente esta refrigerada por agua. b) Calderas de fondo seco, con paredes fabricadas de material refractario. c) Calderas de fondo semiseco, las cuales incorporan una pared trasera de refractario y cuya

envolvente de la cámara de hogar está refrigerada por agua.

En los tipos de cámara húmeda y semiseca, su envolvente puede disponer de zonas planas que deberán disponer de rigidizadores para aumentar la resistencia frente a la presión, exterior a que están sometidas.

Los rigidizadores de las cámaras de hogar estarán soldados a las placas de las mismas. Cada rigidizador tendrá la resistencia suficiente para soportar la carga proporcional de la placa, independientemente de las placas laterales y las soldaduras de unión tendrán la sección transversal necesaria para soportar la carga aplicada.

En las calderas humotubulares verticales, la caja de humos va unida por su fondo a la

envolvente de la caldera mediante faldones que, por soportar todo el peso de dicha caja, han de tener un espesor adecuado.

Inmediatamente encima del hogar, van dispuestos los tubos pantalla. Más encima todavía, se

encuentran los fondos superiores del hogar, que tienen forma plana o abombada.

3.3. Tubos: Tirantes y Pasadores

Siguiendo el recorrido de los gases de combustión, tenemos que éstos a la salida del hogar circulan por el interior de un haz tubular en uno, dos o más recorridos a lo largo de la caldera mediante las apropiadas cajas de humo para cambiar su sentido de circulación. En principio, todos los tubos tienen la misión de pasar los gases de la combustión de una a otra caja, tomando por ello su nombre de tubos pasadores y estando unidos a las placas tubulares de una forma más o menos simple para asegurar la estanqueidad de esta unión.

Como normalmente las placas tubulares son de superficie plana y ésta en si es poco resistente a la deformación cuando está sometida a presión, debe darse la suficiente resistencia a las zonas tubulares de las placas para evitar su deformación. Esta resistencia se logra atirantando una placa con la placa opuesta y utilizando para ello algunos de los tubos de humos. Estos tubos que realizan la misión de atirantar entre si las placas tubulares reciben el nombre de tubos tirantes que, dado el trabajo que realizan, deberán estar unidos a las placas de una forma más resistente y siempre soldados, además de ser de espesor superior normalmente a los tubos pasadores.

En ningún caso se pueden emplear tubos de espesor inferior a 2,5 mm.

3.4. Fijación de los Tubos a las Placas Tubulares

Los tubos podrán fijarse a las placas tubulares mediante mandrilado, soldadura, o una combinación de ambos, bajo las condiciones siguientes: 1. Si todos los tubos son tirantes: expansionado fuerte y cordón de soldadura de sellado o

estanqueidad. 2. Si sólo parte de los tubos son tirantes:

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a) Para los tubos tirantes: soldadura de penetración y expansionado fuerte.

b) Para los tubos pasadores:

sólo expansionado fuerte, soldados, previo acople del tubo a la pared de la placa.

En todos los casos, el saliente del tubo de la placa será como máximo el siguiente:

en las placas tubulares del hogar: 3 mm en las restantes placas tubulares: 5 mm.

En ausencia de tubos tirantes, al actuar cada tubo pasador como tubo tirante, cada uno de los

tubos del haz tubular estará fijado a la placa mediante mandrilado-soldadura o mandrilado-rebordeado o solamente por soldadura; en este último caso, la parte soldada de los tubos mantendrá un contacto total con la parte correspondiente del agujero de la chapa.

Para concluir, diremos que en el caso particular de calderas verticales humotubulares, los tubos pantalla, construidos con tubos de acero sin costura, tendrán suficiente longitud para atravesar las paredes del hogar, o de la cámara de hogar, con un resalte no inferior a 6 mm, ni superior a 16 mm. Dichos tubos estarán soldados en posición, con los agujeros en las chapas convenientemente achaflanadas y éstas irán soldadas por ambos lados.

3.5. Atirantado. Barras Tirantes. Virotillos. Cartelas.

Atirantado El atirantado consiste en reforzar las superficies planas contra las presiones interiores a través

de alguno de los medios siguientes: Barras tirantes

Se fabricarán en barras de acero y estarán exentas de soldadura en su longitud, con excepción de las soldaduras de unión a las placas que estas barras soportan.

Las barras tirantes conformadas en caliente se someterán a tratamiento de normalización. Su eje presentará un taladro de 5 mm de diámetro y 20 mm de profundidad a partir de la superficie interior de la placa que soporten con el fin de poner de manifiesto la eventual rotura de la barra. Virotillos

Los virotillos son barras tirantes que unen las cajas de humos traseras con la pared posterior de la caldera, cuya diferencia estriba en que su longitud es mucho más corta y que en su tipo de unión a las placas que atirantan no pueden disponer de bridas de acoplamiento. Cartelas

Las cartelas son piezas de chapa de forma en general triangular que unen las placas planas frontal y trasera de la caldera con su envolvente, normalmente sustituyendo a las barras tirantes y con ello dejando un mayor espacio libre en la caldera para permitir su entrada en la misma con el fin de inspección, limpieza o reparación.

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3.6. Caja de Humos para Tubos

Las cajas de humos tienen por objeto recolectar los gases de la combustión procedentes de un haz tubular y conducirlos al siguiente o a la chimenea para su expulsión a la atmósfera. Estas cajas pueden ser interiores o exteriores a la caldera, considerándose en el primer caso como formando parte de la superficie de calefacción de la caldera.

Todas las cajas de humos disponen de puertas frontales al haz tubular para permitir las limpiezas periódicas de hollín, así como la eventual sustitución de algún tubo dañado.

Estas cajas de humos son metálicas y en función de la temperatura de los gases que circulan por ellas deberán estar convenientemente protegidas por el apropiado aislamiento térmico.

3.7. Puertas de Registro: Hombre, Cabeza, Mano y Expansión de Gases

Todas las partes de una caldera, ya sea lado fuego como lado agua, deben ser accesibles para su inspección, limpieza o reparación.

En el lado fuego, además de las puertas de las cajas de humos que se han indicado anteriormente existe en el hogar la puerta de carga de combustible o acoplamiento de quemador y la puerta de expansión de gases que debe permitir evacuar cualquier sobrepresión que se produzca en el hogar y por combustión instantánea de residuos de combustible. Normalmente se utiliza esta puerta para permitir el acceso al hogar. En calderas utilizando combustibles sólidos suelen existir además las puertas cenicero que permiten la extracción de los residuos de la combustión.

En el lado agua, existen una serie de puertas para permitir la inspección y limpieza de la caldera, además de las correspondientes tubuladuras de vapor, aireación, drenaje, purga, alimentación de agua y válvulas de seguridad.

Según su tamaño se distinguen:

entradas de hombre, aberturas de sección mínima, de 320x420 mm o diámetro interior no inferior a 420 mm,

agujeros de cabeza, aberturas de sección mínima, de 220x320 mm o diámetro interior no

inferior a 320 mm, agujeros de mano, aberturas de sección mínima, de 80 x 100 mm o de diámetro interior no

inferior a 100 mm.

Además, para realizar una inspección visual, ya sea de la llama o de cualquier parte de la caldera, existen unas mirillas que son aberturas de diámetro igual o superior a 50 mm.

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4. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE CALDERAS ACUOTUBULARES.

4.1. Hogar

Es el espacio localizado para quemar el combustible y de donde parten los productos de la combustión para que, pasando por el resto de la superficie de calefacción, ceder el máximo calor posible al fluido contenido en la caldera.

Las paredes del hogar pueden ser de material refractario, en dicho caso se denominará hogar caliente, en contraposición de hogar frío, en que sus paredes están en contacto con el fluido contenido en la caldera. Se denominan hogares mixtos, aquellos con combinación de los tipos antes citados.

En las calderas acuotubulares los hogares pueden ubicarse en el interior de la caldera formando unidad con la misma, así como exteriores a la misma con la correspondiente comunicación con la caldera.

Para determinados combustibles sólidos puede utilizarse un hogar exterior a la caldera comunicando con una cámara de radiación interior a la caldera en donde se ubica un quemador, ya sea para combustibles líquidos o gaseosos.

Según sea la potencia o producción de vapor de la caldera, presión de servicio o tipo de combustible a emplear, existirá un tipo de caldera apropiado dentro de los tipos construidos por cada fabricante. Así pues, existen muy variados tipos de calderas acuotubulares, aunque en general puede afirmarse que los hogares interiores de estas calderas son de forma paralelepípeda, teniendo por su parte interior o base la zona de combustión en el caso de combustibles sólidos. Normalmente los quemadores para combustibles líquidos o gaseosos se ubican en una pared lateral en posición opuesta a la zona en que los gases de la combustión abandonan el hogar para su entrada en el haz de convección.

4.2. Haz Vaporizador

El haz vaporizador, también llamado haz de convección, esta formado por el haz de tubos situado en la zona de convección de la caldera. Su forma o distribución variará en función del número de domos y de la disposición geométrica de éstos, así como de la incorporación de sobrecalentadores, recalentadores y economizadores a la caldera.

En las calderas acuotubulares se dispone la superficie de convección de tal manera que una parte de los tubos actúe como conducto de bajada y el resto como conducto de subida, lo que depende de la temperatura a la que están sometidos los tubos. Las primeras hileras formadas por tubos que están expuestos al calor radiante directo, actúan como tubos de subida y el resto como tubos de bajada.

El agua que baja (a la temperatura de saturación o un poco menos) no está mezclada con burbujas de vapor. Los circuitos de subida (a la temperatura de saturación) arrastran una mezcla de agua y vapor hacia el domo de la caldera o al espacio o cámara de vapor. La densidad menor de la mezcla dentro de los tubos de subida proporciona la fuerza que mantiene la circulación (en calderas de circulación natural).

Si se aumenta el régimen de combustión, aumenta también el número de tubos que actúan como ascensores, con la correspondiente disminución de los tubos de bajada. Una combustión excesiva puede reducir el número de tubos de bajada hasta límites inadmisibles. Cuando se presenta

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esta situación, va acompañada de una tendencia al congestionamiento ocasionado por el agua que trata de bajar por los tubos en los cuales el vapor tiende a subir. Esto ocasionará daños en los tubos de transición (situados entre los tubos de subida y los de bajada) y no en las hileras de los tubos que dan al hogar como podría suponerse.

En las calderas que operan con altos regímenes de combustión, los tubos de las zonas de entrada al haz de convección son de diámetro más grandes para aumentar la capacidad de la bajada, o las pantallas deflectoras del domo de vapor se disponen de tal manera que se establezca una zona definida de transición. La circulación se beneficia intercalando un sobrecalentador de convección entre los cuerpos de los tubos para separar las bajadas de las subidas, definiéndolas perfectamente.

Los tubos que quedan en la hilera del lado del hogar son, con frecuencia, de mayor diámetro para asegurar un flujo mayor de agua, porque estas superficies son las que absorben más calor.

En las calderas con hogares de paredes de agua, el calor radiante es absorbido con tal celeridad 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 circulación en las paredes de agua. Hay muchos sistemas de construcción de tubos de bajada y de subida, en los cuales se conectan las paredes de agua con el circuito de la caldera.

4.3. Colectores

Según sea el diseño de la caldera, no todos los tubos de superficie de calefacción pueden conectarse a los domos y aun en cierto tipo de calderas éstos no existen; en dicho caso estos tubos se conectan a colectores que sirven de conexión intermedia de esta sección de la superficie de calefacción con el domo de la caldera u otra sección de la superficie de calefacción de la caldera.

Los colectores pueden ser de sección rectangular o cilíndrica, de sección suficiente para facilitar la circulación del agua o vapor, según sea el número de tubos y diámetros que conecte.

Los colectores llevan agujeros o taladros para la inserción de los tubos a que van acoplados. El taladrado puede ser regular o irregular. Dentro del taladrado regular se distingue entre agujeros dispuestos al tresbolillo, en línea diagonal y en diente de sierra.

Los extremos abiertos de los colectores forjados o sin soldadura pueden ir cerrados mediante forja o rosca, o asegurados mediante bridas atornilladas o soldadas o fondos embutidos. No se permite el empleo de tornillos para la fijación de las partes expuestas a la acción de los gases de la combustión.

Si se trata de colectores de acero forjado o sin soldadura fabricados en dos o más longitudes, las uniones serán soldadas y responderán a los requisitos del Código de Fabricación adoptado.

Los accesorios de los agujeros de inspección y registros de mano situados en colectores serán de dimensiones adecuadas y se podrán quitar y volver a colocar de forma fácil y segura. Cuando dichos accesorios vayan sujetos a su sitio mediante pivotes, quedaran asegurados, de modo que no se desprendan aunque se rompa uno de estos pivotes.

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4.4. Domos

Los elementos principales de las calderas acuotubulares son los domos, interconectados por medio de tubos.

Los domos tienen la misión de almacenar agua y vapor. Como no necesitan tener ninguna superficie tubular de calefacción, pueden fabricarse en diámetros mucho menores que los cilindros de las calderas de tubos de humo y, por consiguiente, pueden construirse para soportar presiones más altas. La superficie de calefacción queda circunscrita exclusivamente a los tubos.

Los domos pueden ser dos, tres o cuatro. Sólo las calderas muy antiguas y las de circulación forzada incorporan un solo domo. Lo más frecuente es que tengan un domo abajo y el resto en la parte superior de la caldera; sin embargo, la caldera con tres domos dispuestos en «A» (según los vértices de un triángulo apoyado por su base) presenta dos domos en la parte inferior y el tercero en la parte superior.

El domo (o los domos) de abajo es el domo de sedimentos y tiene una válvula de purga para evacuar las sedimentaciones o precipitados salinos. Los superiores son domos de agua y vapor. Aunque se denominen domos de vapor, en un momento dado, alguno de ellos puede estar lleno de agua. Los separadores de vapor (elementos internos de los domos) eliminan el arrastre de humedad y precipitados, purificando así el vapor.

4.5. Fijación de Tubos a Colectores

Los tubos podrán fijarse a colectores mediante mandrilado soldadura o una combinación de ambos métodos.

Si los tubos van exclusivamente mandrilados, la operación de fijación al domo se realizará con un mandril de rodillos apropiados.

Las uniones de tubos a colectores realizada mediante soldadura se ajustarán estrictamente a lo dispuesto en el Código de Fabricación adoptado.

4.6. Puerta de Inspección y Expansión de Gases

Recordemos que todas las calderas han de estar provistas de aberturas adecuadas, en tamaño y número, para permitir su acceso para fabricación, limpieza e inspección interna.

En la tabla siguiente se presenta el número mínimo de aberturas recomendadas y sus tipos en los domos de las calderas acuotubulares, en función del diámetro y longitud de la pieza de la caldera.

Diámetro Interior (en mm)

Longitud cuerpo L (en mm)

Tipo y número de aberturas

450 — 2 agujeros de inspección

> 450 y < 800

L < 1.500 2 agujeros de inspección ó 1 agujero de mano 1.500 < L 2.000 1 agujero de cabeza ó 2 agujeros de mano

L > 2.000 1 agujero de cabeza cada 3.000 mm y 2 agujeros de mano > 800 L 2.000 1 agujero de cabeza y 2 agujeros de mano 1.500 L > 2.000 1 entrada de hombre ó 1 agujero de cabeza cada 3.000

mm y 2 agujeros de mano > 1.500 — 1 entrada de hombre

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En cuanto a los agujeros de respiro, éstos no deben tener un diámetro superior a 6 mm y estarán dispuestos en las chapas de refuerzo, bridas de ataque y cámaras cerradas.

Los fondos desmontables o tapas podrán utilizarse en lugar de todos los demás agujeros, con tal que tengan unas dimensiones iguales al menos a las mínimas necesarias para las aberturas de inspección o entrada de hombre y que, por sus dimensiones y situación, permitan una vista general del interior equivalente, como mínimo, a la que se obtendría por las aberturas de inspección interna que se necesitarían normalmente.

Las aberturas situadas en las chapas planas irán reforzadas mediante el rebordeado del extremo de la abertura o por medio de un anillo de refuerzo.

Además de las puertas situadas en los domos y colectores, en el circuito de gases es necesario disponer de una puerta de expansión en el caso de calderas a sobrepresión con el fin de poder aliviar la caldera de una sobrepresión excesiva si ésta se ve sometida a una explosión por encendido instantáneo de los residuos de combustible que puedan existir en el hogar. Esta puerta debe estar situada de tal forma que en el caso de su apertura instantánea los gases de escape no puedan afectar ni al personal encargado de la conducción de la caldera ni al equipo de la misma.

Finalmente debe hacerse mención de las puertas de limpieza del circuito de gases que permiten la entrada del personal al mismo para los servicios de inspección y mantenimiento de la caldera. Normalmente se sitúan en el hogar, haz de convección y conductos de humos antes del economizador y chimenea.

4.7. Calderas Verticales. Tubos Field. Tubos pantalla para Llama

Son calderas acuotubulares, normalmente de pequeña producción de vapor, en que los tubos del haz de convección pueden ser rectos o curvos, situados al final de la cámara de combustión, que a su vez puede ser de paredes acuotubulares o de superficies en chapa de acero bañadas por el fluido contenido en la caldera.

La combustión en este tipo de caldera se realiza en su parte inferior, ascendiendo en un solo recorrido los gases de combustión hasta la chimenea y cruzando en su camino las diversas secciones de la superficie de calefacción de la caldera.

La característica que distingue, dentro de este modelo de caldera, un tipo de otra es la situación de los tubos de convección que pueden ser verticales colgados de una placa tubular superior y con su extremo inferior cerrado (Tubos Field), cruzados al sentido de circulación de los gases y con una ligera inclinación para facilitar la circulación natural del agua, y de tipo curvados conectados a la parte superior de la caldera que actúa como domo colector.

Para la protección de los domos, o de los sobrecalentadores, se utilizan unos tubos de gran diámetro (tubos para llamas) situados sobre el hogar que evitan que las llamas les alcancen directamente. También se utilizan estos tubos parallamas u otros dispositivos en hierro fundido denominados igualmente parallamas para evitar el tiro directo de la llama o de los gases de combustión a la chimenea, obligando a que estos gases circulen preferentemente a través de las superficies de calefacción de la caldera.

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Aprovechamos la oportunidad que presenta este tema para resaltar que en las revisiones periódicas y limpiezas que debe efectuar el personal encargado de la operación de la caldera debe verificarse cuidadosamente la zona del plano de evaporación del agua en el lugar en contacto con los gases de la combustión, por ser una zona crítica sometida a mayor corrosión y esfuerzos térmicos que el resto de la caldera.

4.8. Calderas de Vaporización Instantánea. Serpentines. Separadores de Vapor.

El volumen de agua que contiene una caldera, determina la mayor o menor rapidez con que la caldera partiendo de totalmente fría alcanzara el punto de servicio, en que toda el agua ha alcanzado la temperatura correspondiente al punto de saturación, según sea la presión de servicio.

Los fabricantes de calderas han desarrollado unos tipos denominados de vaporización instantánea para pequeñas producciones de vapor (hasta 4 t/h), llamadas de serpentín, o para muy grandes producciones (centrales térmicas, etc.) del llamado tipo BENSON, en las que se ha prescindido de disponer de cualquier clase de domo y cuya representación esquematizada podría ser la de un tubo calentado por una llama, en que el agua alimentada por un extremo, sale en forma de vapor por el otro.

Como puede comprenderse el volumen posible de agua es relativamente pequeño con relación a la cantidad de calor que se inyecta, así pues, en un corto espacio de tiempo la caldera está lista para dar vapor en las condiciones requeridas, de donde toma el nombre de calderas de vaporización instantánea.

Debe destacarse el hecho de que en esta clase de caldera el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido por lo que un desajuste entre el caudal de calor aportado y caudal de agua daría lugar a obtener agua caliente o vapor recalentado si faltase calor o éste fuera superior al requerido.

Para las calderas de este tipo y pequeña producción, la disposición constructiva más usual, es la utilización de dos o más serpentines en tubos de acero, situados concéntricamente, formando un monotubo, o conectados en paralelo, que son recorridos en sentidos alternativos por los gases de combustión y utilizando el espacio interno del serpentín interior como hogar de la caldera.

Para evitar la formación de vapor recalentado, normalmente se alimenta un ligero exceso de agua que además sirve para un continuo lavado de los tubos arrastrando consigo las sales disueltas del agua de alimentación. Con el fin de que el vapor saturado enviado a consumo sea lo más seco posible, a la salida de la caldera es normal instalar un dispositivo separador de vapor que separa el vapor del exceso de agua alimentado. En el mercado existen diversos tipos de separadores, siendo uno de los más usuales y sencillos el tipo ciclónico en que el vapor entra tangencialmente a un tubo vertical, separándose el agua del vapor por efecto centrífugo, evacuándose el agua por su parte inferior y el vapor por su parte superior.

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5. EQUIPOS Y ACCESORIOS ADICIONALES PARA CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR.

5.1. Economizadores

En una unidad generadora de vapor, el economizador representa una sección independiente de la superficie de intercambio de calor, destinada a recuperar calor de desperdicio de los gases de escape, para retornarlo en forma de calor útil, al agua de alimentación antes de que ésta se mezcle con el agua que circula en el interior de la caldera. Este calor recuperado que se añade al del sistema mejora el rendimiento de la unidad y de ahí proviene su nombre de economizador.

El economizador puede definirse como un elemento que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del fluido de alimentación, generalmente agua, de la misma. Su empleo se justifica únicamente cuando tiene la aptitud de absorber calor con mayor economía que otros tipos de superficie de calefacción.

El economizador esta formado por una sección de tubos, a través de los cuales pasa el agua de alimentación justamente antes de inyectarla en la caldera. Los gases de combustión, al abandonar las superficies de convección de la caldera, pasan por los tubos del economizador y de esta manera calientan el agua de alimentación.

Los economizadores se pueden fabricar de tubos de acero, normalmente en forma de serpentín o en tubos de hierro fundido con aletas, circulando en ambos casos el agua por el interior de los tubos y los gases por su parte externa.

En la figura 5-1 se muestra un economizador de tubos de acero con aletas soldadas longitudinalmente y en la figura 5-2 se puede observar un economizador con tubos aletados de fundición.

El uso de fundición de hierro, en los

economizadores, se debe a la posibilidad de corrosión que puede presentarse en esta parte de la caldera debido a la posibilidad de formación de ácido sulfúrico en los gases cuando el combustible contiene azufre, por condensación de estos gases superando el punto de rocío del sulfúrico, ya que por esta zona del economizador los gases de combustión circulan a una baja temperatura (menor de 200 °C) y las paredes de los tubos están a una temperatura de unos 100 °C, en función de la temperatura del agua de alimentación.

Una solución empleada para eliminar esta posibilidad de corrosión es aumentar la temperatura del agua en el economizador, haciendo circular previamente el agua de alimentación por el interior de la caldera, en forma de serpentín precalentador. Figura 5-1. Economizador con tubos de acero

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No se pude mostrar la imagen vinculada. Puede que se haya movido, cambiado de nombre o eliminado el archivo. Compruebe que el vínculo señala al archivo y ubicaciones correctos. En cualquier caso, siempre que una caldera disponga de economizador deberá preverse una alimentación de agua continua, con el fin de eliminar los posibles choques térmicos que podrían ocurrir con una alimentación discontinua.

En comparación con el precalentador de aire, el economizador ofrece numerosas ventajas: requiere menos espacio para una capacidad determinada, exige menos fuerza auxiliar, es más barato en unidades que operan a presiones de vapor bajas, y su acción acumuladora de calor facilita una evaporación más rápida cuando se trabaja en ciclos alternados de arranque y parada.

Por su localización, los economizadores se clasifican así: 1. De tipo integral. El economizador de tipo

integral se caracteriza por baterías de tubos localizados dentro del cuerpo de la caldera.

Figura 5-2. Economizador con tubos de fundición El economizador de un solo colector lo lleva montado en su extremo inferior, del que parten los tubos dispuestos en paralelo hacia la parte superior, en donde van conectados directamente al domo de la caldera, que contiene agua y vapor. Los economizadores de doble colector constan de un colector inferior y otro superior, conectados entre si por tubos. El agua de alimentación es introducida en el colector superior, de donde pasa por una sección de tubos hacia el domo inferior para pasar después al domo de la caldera. Las conexiones entre el economizador y la caldera incorporan un sistema de válvulas que permiten la derivación en puente para poder aislar el economizador del sistema. Algunos van dotados de pan-tallas verticales, para lograr una acción de contracorriente en el flujo de los gases (pantallas deflectoras) o también pueden estar dispuestos para retorno sencillo o múltiple de flujo transversal.

2. De tipo adyacente. Los economizadores adyacentes se caracterizan por su construcción de tubos horizontales colocados en serpentines o hileras cerradas, dispuestos por lo general en forma alternada; los gases de la combustión fluyen transversalmente al eje longitudinal de los tubos. Estos economizadores están situados fuera de la caldera, formando una unidad independiente, y en el caso de calderas de tiro aspirado, antes del ventilador de extracción de gases.

5.2. Calentadores de Aire

Otra manera de recuperar calores perdidos es con un precalentador del aire de combustión. El calentador de aire es un aparato de intercambio de calor, a través del cual se pasa el aire de

combustión que es calentado por medios cuya temperatura es mayor, tales como los productos procedentes de la combustión o por medio de vapor. Se le utiliza para recuperación de calor de los gases de escape en unidades generadoras de vapor; ocasionalmente se le utiliza para extraer calor de alguna otra fuente.

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En esencia, se compone de una superficie de intercambio de calor instalada en el curso de la corriente de los gases de escape de combustión procedentes de la caldera, entre ésta y la chimenea, o entre el economizador (si lo hay) y la chimenea. El aire para la combustión es calentado por los gases de escape, al ser empujado a través del calentador por medio de un ventilador de tiro forzado.

Los calentadores de aire se pueden clasificar de acuerdo con su principio de operación, de la siguiente manera:

1. Calentadores recuperativos. 2. Calentadores regenerativos.

Cada una de estas clases de calentadores se

subdivide, a su vez, en varios tipos.

Para la recuperación de calor de los gases de escape en los generadores de vapor, se han venido utilizando, entre otros, los siguientes calentadores de aire: a) Calentadores de aire de tipo tubular. (figura 5-3) b) Calentadores de aire de tipo rotatorio

regenerativo, Ljüngstrom. (Figura 5-4) c) Calentadores de aire por celdas. d) Calentadores de aire de serpentín de vapor.

En un calentador de aire del tipo recuperativo, el calor procedente de un fluido en movimiento (gases de escape, vapor, etc.) pasa a través de la superficie de intercambio de calor hacia el aire más frío (también en movimiento). El medio de calefacción está completamente separado, en todo momento, del aire que es calentado.

Figura 5-3. Calentador de aire tubular. En el calentador tubular, normalmente, los gases circulan por el interior de los tubos y el aire lo

hace por fuera, aunque en algunas calderas marinas, por razones de espacio, se invierten los términos, aun a costa de la mayor dificultad de limpieza cuando los gases circulan fuera de los tubos.

El calentador de aire del tipo regenerativo es un medio de calefacción indirecta, en el cual una masa adecuada (una estructura que sirve de cuerpo intermedio de almacenamiento de calor) es térmicamente regenerada por el paso de los productos de la combustión calientes, después de que ha sido enfriada por la corriente de aire.

Responde al principio de que los gases circulan axialmente, por una sección de un rotor

cilíndrico. El interior de este cilindro esta ocupado por una serie de placas corrugadas, que dejan canales entre ellas, por donde circulan los gases. Al pasar éstos por entre las placas, las mismas se calientan, y como el rotor gira sobre su eje longitudinal presentando las placas calientes a otro sector del cilindro por donde circula en sentido contrario el aire, éste al pasar a través de las placas calientes las enfría, elevando su propia temperatura. Como el cilindro gira continuamente, las placas se calientan nuevamente, entregando al aire el calor almacenado, en forma continua.

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Figura 5-4. Calentador de aire regenerativo

En los calentadores de placas, éstas se disponen espaciadas, formando canales paralelos, por los cuales circulan alternativamente los gases y el aire.

El material de construcción de los calentadores de aire puede ser acero, hierro forjado o vidrio PYREX. Aunque teniendo en cuenta la mayor posibilidad de corrosión por condensaciones de sulfúrico, al trabajar a menores temperaturas, normalmente los tipos más utilizados son los del tipo de placas de hierro fundido y los tubulares de vidrio PYREX.

5.3. Recuperadores de Calor

Los gases de escape (humos) de caldera, hornos, motores de combustión interna, turbina de gas, etc., pueden a veces, llevar cantidades de calor significativas, que en ocasiones resulta interesante recuperar.

Estos calores perdidos se pueden

aprovechar calentando el agua de alimentación (economizadores), o calentando el aire de combustión, en el caso de calderas. Cuando se trata de hornos, motores de combustión interna o turbinas de gas, es posible también producir vapor (calderas de recuperación) para otros usos.

Los dispositivos de recuperación que conviene aplicar, dependen del problema particular que

se pretende en cada caso. En estos equipos, la superficie de transmisión esta determinada principalmente por: la masa

de vapor a producir, por la diferencia de temperaturas entre los gases de combustión, del aire ambiente, agua de alimentación, etc., y por el coeficiente de transmisión del calor.

Para recuperar calores perdidos en una caldera de vapor, puede ser conveniente utilizar un

economizador, siempre que el agua de alimentación esté a una temperatura relativamente baja, en forma de asegurar grandes saltos de temperatura.

Si en cambio, el agua a ser recuperada como condensado, está muy caliente (90 á 95 °C),

puede ser más conveniente instalar un calentador de aire de combustión, ya que la temperatura de entrada de éste será siempre de 20 á 30 °C como promedio del ambiente. En este caso se logra un salto de temperatura mayor y consiguientemente, puede resultar necesaria una superficie menor de transmisión o se puede lograr una mayor recuperación.

El coeficiente de transmisión del calor a tomar en consideración, es solamente la convección,

ya que las temperaturas son bajas y no actúa mayormente la radiación. Puede aumentarse utilizando velocidades altas, pero ello tiene como límite el tiraje disponible; aun cuando se disponga de tiraje mecánico, tampoco puede llevarse el consumo de energía a límites excesivamente altos.

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Los hornos, motores y turbinas a gas, son equipos a los que normalmente se les aplica una caldera de recuperación, aunque suele ser un problema a veces, el hecho de que el equipo funcione pocas horas como en el caso de motores o turbinas, o que trabajen con un ciclo muy variable, como ocurre con algunos hornos.

5.4. Movimiento del Aire y Gases de Combustión

La circulación del aire y de los gases de combustión, dentro de una caldera, horno, etc., se lleva a cabo por la existencia del tiraje, venciendo la fricción, que las resistencias del circuito oponen al movimiento, suministrando así aire para la combustión y eliminando los gases. Debe crear también la depresión necesaria para generar la velocidad, según la conocida formula.

hv

g

2

2 (5-1)

Sistemas de tiraje

El tiraje puede ser natural o mecánico. En el primer caso, se aprovecha la diferencia de

densidades entre los gases calientes y el aire frío, con la ayuda de una chimenea. En el segundo, se usan ventiladores u otros medios mecánicos para ayudar al tiraje natural que siempre existe en mayor o menor grado. El tiraje mecánico es una exigencia en las instalaciones modernas, debido a las limitaciones del tiraje natural, imponiéndose usar algo más enérgico.

Dentro de una caldera o equipo térmico, por el que circulan gases calientes, existe en los

distintos pasajes, un tiraje o "efecto chimenea", que depende de la temperatura de los gases y de la altura del conducto. Este efecto, puede sumarse u oponerse al tiraje de la chimenea o ventilador.

Tiraje Natural

El tiraje natural es originado por la tendencia a elevarse (flotar), que tiene una masa de aire o

gases calientes, dentro de un entorno de aire más frío, debido a la diferencia de densidades.

En una chimenea el tiraje está dado por la diferencia de peso, entre la columna de gases calientes y la de aire frío exterior.

Tiraje Mecánico

Las limitaciones del tiraje natural, han hecho necesario recurrir en las instalaciones modernas, a

sistemas de tiraje mecánico por medio de ventiladores u otros dispositivos. Según se ubiquen los ventiladores en el circuito, el tiraje puede ser forzado o inducido o estar equipado con ambos simultáneamente, llamándose entonces tiro equilibrado o balanceado.

Tiro Forzado

El tiraje forzado, consiste en colocar ventiladores que soplen el aire de combustión, al registro

de los quemadores o debajo de las grillas, venciendo las resistencias que causan la existencia de estos elementos. Eventualmente también, toman a su cargo las pérdidas causadas por el calentador de aire (lado aire) y por los conductos.

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Tiro Inducido

Por el contrario, el tiraje inducido aspira los gases a la salida de la caldera venciendo las resistencias de ésta, del economizador y del calentador de aire que eventualmente existan, y expulsan los gases por la chimenea.

Sistema Equilibrado o Balanceado

Se llama así cuando se colocan un ventilador de tiro forzado y uno de tiro inducido,

calculándose que el horno esté en estado de equilibrio, es decir, sin presión ni depresión (aun cuando también es usual mantener una leve depresión de 3 a 4 mm H2O).

Caldera Presurizada.

Está difundido también el sistema de colocar

solamente ventilador de tiro forzado de mayor potencia y que se haga cargo de todas las resistencias del circuito. En estas condiciones la circulación de gases en la caldera se realiza bajo presión. La construcción de la cubierta y ciertos elementos auxiliares debe ser entonces especialmente proyectada.

Este sistema, tiene la ventaja de evitar en

absoluto las pérdidas por aire falso que pueden ser importantes en las otras formas de tiraje. Además como el único ventilador trabaja con aire frío y limpio, los gastos de mantenimiento y operación son mucho menores. Tiraje Indirecto por Eyector

Cuando se trata de mover gases que estén

muy calientes (en general a más de 400 °C) o sucios, que arrastren partículas abrasivas o sean portadores de sustancias corrosivas, etc., que causen serios desgastes al rotor de un ventilador, puede usarse con ventaja un eyector (figura 5-5).

Figura 5-5. Extracción de gases por eyector

5.5. Ventiladores. Tipos y Características

Los ventiladores son aparatos que mueven considerables masas de aire o gases, creando presiones relativamente pequeñas. Los dos tipos principales son: axiales o centrífugos.

Los ventiladores axiales o de hélice son sencillos, ocupan poco espacio, su rendimiento es más

bien bajo (excepto en un punto de su característica), funcionan a altas velocidades y son muy ruidosos. La regulación del caudal es más difícil que con los ventiladores centrífugos y en general se debe realizar variando la velocidad. Como ventiladores de tiraje en calderas, prácticamente no se usan. En la figura 5-6 se muestra un ventilador de este tipo.

64


Los ventiladores centrífugos, ocupan mayor espacio, tienen mejor rendimiento, su velocidad es menor, siendo más silenciosos. Por el diseño o curvatura de las paletas del rotor, los ventiladores

centrífugos se dividen en tres tipos principales: palas adelante, palas radiales y palas atrás. Cada tipo

Figura 5-6. Ventilador Axial. Figura 5-7. Ventilador centrífugo radial

Figura 5-8. Ventilador centrífugo con palas atrás Figura 5-9. Ventilador centrífugo con palas

radiales tiene sus condiciones de rendimiento, etc., que lo caracterizan. El ventilador de palas adelante o tipo Sirocco, tiene el rotor con muchas paletas inclinadas hacia adelante. Sus aplicaciones principales son como ventiladores de tiro forzado, para calderas de tamaño pequeño o como ventilador de tiro inducido trabajando con gases limpios, de fuel oil o de gas natural.




65

Pueden usarse donde se requiera una curva de presión estática relativamente "plana", es decir pocos cambios de presión a grandes cambios de caudal. El rendimiento decrece al aumentar el volumen, siendo de marcha muy estable en zonas de máximo rendimiento.

La potencia absorbida aumenta algo más rápidamente que los aumentos de volumen y el rendimiento total llega al 75 % y el estático al 70 %. Los ventiladores con rotores de palas radiales se usan principalmente para mover gases con partículas sólidas y abrasivas en suspensión. La potencia varía en forma prácticamente lineal con los aumentos de volumen y la presión estática varía rápidamente para pequeños cambios del mismo. Su rendimiento total es del 74 % y el estático del 65 %.

En la figura 5-7 y 5-9 se puede observar un ventilador de palas radiales, en la figura 5-8 se tiene

un ventilador de palas atrás.

5.6. Bombas de Agua de Alimentación

Toda caldera debe estar provista de, al menos, un sistema de alimentación de agua seguro, con excepción de las calderas que utilicen combustibles sólidos no pulverizados, que deberán disponer de dos sistemas accionados por distinta fuente de energía.

El sistema de alimentación de agua debe poder inyectar una cantidad de agua igual a 1,5 veces la máxima que pueda evaporar la caldera (o batería de calderas) que alimenta, excepto en las calderas automáticas en las que la cantidad de agua a inyectar debe ser igual o mayor que 1,1 veces la máxima que pueda evaporarse, más la pérdida de agua por purgas. Dicho líquido se debe poder inyectar a una presión superior en un 3%, como mínimo, a la presión de tarado más elevada de las válvulas de seguridad, incrementada en la pérdida de carga de la tubería de alimentación y en la altura geométrica relativa.

Figura 5-10. Esquema de bomba centrífuga El sistema de alimentación puede ser de acción continua o discontinua. En el caso de acción

continua, la bomba de alimentación de agua esta continuamente en servicio y el caudal introducido viene regulado por una válvula automatizada y mandada por la acción del sistema controlador del nivel.


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En el caso de acción discontinua, el sistema detector del nivel actúa sobre la bomba de alimentación, parándola y/o poniéndola de nuevo en servicio, según las necesidades.

Para las calderas automatizadas con nivel de agua no definido, el sistema de alimentación debe cubrir la demanda de vapor de la instalación mediante bombas de tipo volumétrico.

El agua de alimentación debe ser introducida en la caldera de tal manera que no descargue directamente sobre superficies expuestas a gases a temperatura elevada o a la radiación directa del fuego.

No se deben utilizar las bombas alimentadoras accionadas a mano, sea cual sea la categoría de la caldera.

En las calderas de agua sobrecalentada, la alimentación de agua se lleva siempre al depósito de expansión y su caudal debe ser siempre suficiente para la reposición de agua necesaria.

Es necesario que toda caldera disponga de su sistema de alimentación de agua, que podrá ser por medio de motobomba centrífuga o rotativa, inyector de vapor, o turbina de vapor.

En la motobomba se utiliza la energía eléctrica para que a través del motor correspondiente se actúe sobre la bomba de agua que dispone de unas paletas que por su movimiento rotativo impulsan el agua en caudal y presión requeridos.

Dentro del modelo de bombas existentes indicamos las autoaspirantes y las centrífugas, aunque normalmente éstas pueden también incluir un primer rodete autoaspirante.

5.7. Inyectores de Agua

Son dispositivos de alimentación de agua en que se utiliza la energía del propio vapor de la caldera para alimentar el agua necesaria mediante el efecto de succión (efecto VENTURI) que crea una corriente de vapor a través de una tobera especial. Este sistema es válido para caudales de agua relativamente pequeños y presiones de hasta 12 Kg/cm2, además de estar limitado a una temperatura de agua fría. Es un sistema poco fiable y se ha venido utilizando como segundo sistema de alimentación cuando así se ha requerido.

5.8. Turbinas para Agua de Alimentación

Para alimentar las calderas utilizando como fuente energética el vapor, solventando los problemas y limitaciones de los inyectores de vapor, la técnica ha desarrollado la bomba alternativa y la turbina.

La bomba alternativa consiste en una bomba por pistón de recorrido alternativo que es accionado por el vapor, logrando en sus movimientos aspirar e impulsar el agua a la caldera.

Este sistema, más fiable que el inyector de vapor, no tiene las limitaciones de caudal o presión, pero continúa manteniendo los problemas de necesitar agua fría o inferior a 100 °C para trabajar correctamente sin cavitaciones.

La turbina de vapor consiste en una bomba centrífuga que es accionada por una turbina en vez del motor eléctrico.

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5.9. Chimeneas

Los productos de la combustión se expulsan de la caldera a través de una caja de humos, para descargarlos en la chimenea. Las chimeneas pueden construirse metálicas o de mampostería, y sus alturas varían de acuerdo con las características de la caldera y con las disposiciones legales vigentes en materia de contaminación atmosférica.

Ya hemos dicho que la combustión correcta depende del mantenimiento del tiro adecuado a través de la chimenea. La pérdida de tiro equivale a la diferencia que existe entre la fuerza de tiro que actúa en la cámara de combustión, expresada en milímetros de columna de agua. Así, la pérdida excesiva de tiro a través de la caldera exigiría la instalación de una chimenea más alta o provocaría dificultades de operación como consecuencia del tiro defectuoso y de la combustión incompleta resultante.

Lo más frecuente es, en líneas generales, instalar chimeneas altas cuando se trata de

conseguir la máxima dispersión de los gases y humos de escape, y se instalen chimeneas bajas cuando sólo se pretende expulsar dichos gases fuera de la caldera.

En general, se deberá evitar que la chimenea sea de pequeña sección, disponga de tramos horizontales y que, si deben existir cambios de dirección, se realicen éstos por medio de codos bruscos.

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6. COMBUSTIBLES, COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

6.1. Combustibles

Los combustibles usuales en la industria, ya sean líquidos, sólidos o gaseosos, presentan una serie de características que les son propias. Para quemarlos eficazmente, es necesaria la adopción de medidas y la utilización de equipos especiales, adecuados a cada uno de ellos.

Una característica propia que presentan los combustibles, es la cantidad de gases producidos

en la combustión. El petróleo, carbón, gas natural, o sea los combustibles que podemos llamar nobles, producen

de 12 a 18 Kg de gases por cada 10.000 kilocalorías liberadas. En cambio los combustibles pobres: leña, bagazo, cascarillas, etc. producen de 22 a 25 Kg de gases cada 10.000 kilocalorías.

Esta diferencia es importante de tener en cuenta en el cálculo de los aparatos que utilicen el

calor, en especial las calderas deben ser diseñadas cuidadosamente cuando se trata de instalaciones para utilizar dos combustibles distintos. Por ejemplo: Bagazo y petróleo

6.1.1. Petróleo

Es un producto mineral de compleja y variada constitución, que difiere de acuerdo a las zonas de extracción, dando lugar a distintos productos al procederse a su destilación y elaboración.

Los petróleos crudos se destilan obteniéndose de ellos una gama variada de combustibles y

productos industriales. Los combustibles que nos interesa tratar son los denominados con el nombre genérico de

gasoil y fuel oil. Desde el punto de vista del proceso de elaboración, los combustibles derivados del petróleo se

clasifican en destilados y residuales. Los destilados son obtenidos como lo indica su nombre por el proceso de destilación de los

crudos y se producen de distintos tipos y características. El gasoil es uno de ellos. El fuel oil, en cambio, es el residuo que queda en los alambiques de destilación. De ahí el nombre de residual.

En el mercado argentino se conocen como combustibles industriales, derivados del petróleo, el

fuel oil residual, la mezcla 90/10 (90% fuel oil y 10% gasoil), la mezcla 70/30 (70% fuel oil y 30% gasoil) y el gasoil.

Los combustibles derivados del petróleo, tienen una serie de características que es importante

conocer para proceder a su manipuleo y combustión en forma adecuada. Ellas son: la Composición Química; el Poder Calorífico y sus propiedades físicas tales como, la viscosidad, el punto de escurrimiento, el punto de inflamación, el contenido de azufre, el contenido de cenizas, el peso específico, el contenido de humedad, etc.

La composición química y la viscosidad de un combustible líquido se describen a continuación:

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Composición Química La composición del fuel oil y del gasoil varía según el crudo de origen, pero puede aceptarse

como término medio aproximado la siguiente composición química:

Carbono : 82 - 87 % hidrógeno: 10 - 15 % Oxígeno: 1 - 2 % Nitrógeno: 0,2 - 0,5 % Azufre: 0,1 - 1,5 % Agua: 0,5 - 1,5 % Cenizas: Rastros

Viscosidad

Es una de las características de mayor importancia para el manipuleo y adecuada operación de

los equipos de combustión. El conocer la viscosidad de un líquido (y también de un gas) nos da idea de la resistencia que

opone dicho fluido al movimiento; por ejemplo, a fluir por una cañería. La viscosidad varía inversamente proporcional con la temperatura; disminuye cuando ésta

aumenta, siendo por ello absolutamente necesaria al fijar una viscosidad, establecer la temperatura correspondiente.

En el gráfico de la figura 6-1 se indican curvas donde se muestran las variaciones de viscosidad

en función de la temperatura para distintos tipos de combustibles líquidos y los valores convenientes para bombeo y para la aplicación con distintos tipos de quemadores.

Debe recordarse, que el calentamiento no conviene excederlo de los valores recomendados en

cada caso, ya que se pueden producir vaporizaciones parciales, que afectaran el correcto funcionamiento de los equipos (quemadores y bombas).

6.1.2. Gas Natural. Otros Combustibles Gaseosos.

El gas es muy apreciado como combustible por su sencillez de manejo, facilidad de adaptación a procesos automáticos, posibilidad de alcanzar alta eficiencia térmica, limpieza, falta de cenizas, bajo contenido de azufre, etc.

Todas estas cualidades de gran valor en la práctica, han hecho que el gas se use ampliamente,

absorbiéndose siempre las posibilidades ofrecidas, para suministro a la industria. Actualmente se dispone para el uso, de los siguientes gases combustibles: Gas natural Gas de destilería (su uso actual es muy limitado) Propano Butano Gas pobre (su uso no esta difundido actualmente)

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Los combustibles gaseosos que se tratarán son los de alto poder calorífico. Se usan también el gas de alto horno y el de gasógeno, de poder calorífico mucho menor: pero estos son de uso restringido. El primero en plantas siderúrgicas y el segundo en casos especiales. Los combustibles gaseosos tienen sus características propias, que conviene conocer para su correcto manejo y para el

Figura 6-1. Curvas de viscosidad de combustibles líquidos proyecto adecuado de la instalación. Ellas son: el poder calorífico, la composición química, la densidad, la velocidad de ignición, las condiciones explosivas, la forma de suministro, los datos para la combustión y usos comerciales.


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6.1.3. Carbón

El carbón es un combustible de origen mineral. Son muy amplias sus variedades de constitución, propiedades, etc. aunque ha perdido uso a lo largo de los años por el avance en el uso del gas natural y de los combustibles líquidos más fáciles de quemar.

El poder calorífico superior de un carbón se puede determinar aproximadamente con un error

del 2 % mediante fórmulas que toman en cuenta su composición química. El orden de los poderes caloríficos de los carbones es de 4.000 kcal/kg para un lignito y 8.000 kcal/kg para una antracita.

La utilización en nuestro país como combustible para generación de vapor esta limitada a la

Central Térmica de San Nicolás.

6.2. La Química de la Combustión

Para analizar que se entiende por combustión hay que comprender claramente el significado de dos magnitudes fundamentales que la caracterizan, temperatura y calor.

6.2.1. Definiciones. Gases Formados

Se entiende como combustión la reacción química rápida de oxidación que tiene lugar entre un combustible y el oxígeno del aire en la que se libera una gran cantidad de calor.

Los combustibles sólidos y líquidos están formados básicamente por carbono, hidrógeno,

azufre, junto con pequeñas trazas de otros elementos. El gas natural, según su procedencia, está fundamentalmente compuesto por metano y cantidades menores de otros hidrocarburos. Los gases licuados del petróleo (GLP) están formados por mezclas de hidrocarburos saturados y no saturados.

El aire, aparte de oxígeno, contiene cantidades importantes de nitrógeno (79%). El nitrógeno no

tiene ningún papel activo en la combustión, a lo sumo una mínima parte puede reaccionar con el oxígeno dando lugar a óxidos de nitrógeno, reacción que no supone ningún aporte energético

Se dice que una combustión es completa cuando todos los productos resultantes de la reacción

están en el máximo grado posible de oxidación. En este caso las principales reacciones químicas que tienen lugar son:

C O COMJ

kg 2 2 32 8, (6-1)

H O H OMJ

kg

1

21422 2 (6-2)

S O SOMJ

kg 2 2 165 (6-3)

72

Donde: C: átomo de carbono O: átomo de oxígeno H: átomo de hidrógeno S: átomo de azufre CO2: molécula de anhídrido carbónico H2O: molécula de agua SO2: molécula de anhídrido sulfúrico MJ: un millón de Joules

La cantidad de aire mínima necesaria para que estas reacciones se lleven a cabo de forma

completa en un combustible, es llamado aire teórico o aire estequiométrico. La combustión llevada a cabo en estas condiciones también recibe el nombre de combustión estequiométrica. (Esquematizado en la figura 6-2)

Figura 6-2. Combustión completa estequiométrica

En la realidad, si sólo se suministra el aire teórico, la reacción no se lleva a cabo completamente, o con la rapidez suficiente, dando origen a reacciones incompletas, entre las cuales la más importante es:

C O COMJ

kg

1

29 32 , (6-4)

En este caso, parte de la energía de la combustión del carbono no se desprende y permanece

en el monóxido de carbono. Se entiende como combustión incompleta aquella en la que algún componente del combustible no ha llegado al grado de oxidación máximo. (esquematizado en la figura 6-2). En la combustión incompleta no se obtiene la máxima energía de la disponible en el combustible. Estos productos que no han alcanzado el grado máximo de oxidación se denominan no-quemados. Estos no-quemados serían carbono no oxidado (C), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no oxidados (CnHm).

Resulta por lo tanto necesario proporcionar un exceso de aire al combustible para aumentar la

posibilidad de que reaccione rápida y totalmente en combustión completa con el oxígeno, antes de que pase a una zona más fría donde la combustión total no tendría lugar. El aire estequiométrico, más el exceso de aire, se denomina aire total.


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Figura 6-3. Combustión incompleta A la relación entre el aire realmente usado en una combustión y el aire teórico correspondiente

al combustible se le llama índice o coeficiente de exceso de aire y se suele designar por “n”.

nAire al

Aire Te rico

Re

ó (6-5)

En ocasiones, “n” se expresa en porcentaje (%); así si por ejemplo n = 1,2 expresa:

Exceso de Aire n(%) ( ) ( , ) % 1 100 1 2 1 100 20 (6-6)

La necesidad de aportar un exceso de aire significa que parte del oxígeno introducido en la

combustión no encontrará carbono para reaccionar y por lo tanto abandonará la caldera junto con los gases que se producen en la combustión (esquematizado en la figura 6-4).

Figura 6-4. Combustión completa con exceso de aire



74

La cantidad de oxígeno contenido en los gases de combustión en la chimenea, es un indicador de la cantidad de aire en exceso empleado.

El rendimiento de la combustión y por lo tanto el rendimiento de la caldera en cada situación de

fuego, tiene un punto óptimo que corresponde a un determinado exceso de aire. Si en esas condiciones se reduce el exceso de aire, el rendimiento de la combustión será menor, al no lograr oxidarse totalmente los componentes del combustible y se originan productos como el CO, (no-quemados).

Si por el contrario, aumentase el exceso de aire el rendimiento de la combustión también

disminuiría, ya que una parte creciente del calor liberado en la combustión se dedicaría a calentar la mayor cantidad de aire introducido y que posteriormente sería arrastrado al exterior por la chimenea.

6.2.2. La Combustión a partir del análisis de los gases

La composición química del combustible es la que determina la cantidad de aire precisa para la combustión estequiométrica y la composición final de los gases producto de la combustión.

El exceso de aire a emplear no sólo depende del tipo de combustible, sino que en la práctica

viene influenciado por aspectos tales como el tipo de quemador empleado, las características de viscosidad y temperatura del combustible, dimensiones de la cámara de combustión, etc.

Conocida la composición química del combustible, se determina, partiendo de las reacciones

básicas de la combustión, la composición en masa o en volumen de los productos de la combustión estequiométrica. Una vez conocidos éstos, bastará relacionarlos con la masa o el volumen total de los gases de combustión para conocer el exceso de aire con el que se está llevando a cabo la reacción.

Los productos de combustión estequiométrica de un combustible pueden ser calculados a partir

de su composición química, el cual proporciona los pesos de cada elemento que compone el combustible: C, H, S, O, N, H20, cenizas, expresados en kilogramos de cada uno de ellos por kilogramo de combustible.

Para determinar las cantidades de aire que deberán intervenir se parte de la composición

aproximada del aire atmosférico seco.

en volumen en masa Nitrógeno 79 % 77 % oxígeno 21 % 23 %

Admitiendo que la combustión sea completa, el porcentaje de CO2 y O2 en los gases de

combustión secos pueden ser relacionados con el coeficiente de exceso de aire mediante fórmulas especificas.

6.2.3. Forma de Conocer el Exceso de Aire con el que Trabaja una Caldera

La valoración del exceso o defecto de aire empleado durante la combustión puede efectuarse fácilmente por medio de diagramas (de Ostwald, etc.), conociendo la composición porcentual que tienen los gases de combustión en CO2 (dióxido de carbono), O2 (oxígeno) y CO (monóxido de carbono).

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Estas determinaciones se hacen analizando los gases en chimenea con instrumentos adecuados y mediante estos datos se puede determinar el exceso de aire leyendo directamente en los gráficos de las figuras 6-5 ó 6-6, donde deberá conocerse el valor del porcentaje máximo de CO2 del combustible utilizado, para definir la curva a considerar.

6.2.4. Poderes Caloríficos de Combustibles

Definiciones

Se define como Poder Calorífico de un combustible a la cantidad de calor (energía) liberada por la combustión de la unidad de volumen ó masa de ese combustible.

Para los combustibles más usuales se suele medir experimentalmente mediante un calorímetro

la cantidad de calor liberada en la combustión de una muestra del mismo, obteniéndose así su poder calorífico.

Figura 6-5. Triángulo de Ostwald


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Se distinguen dos valores de poderes caloríficos a saber: Poder calorífico superior (PCS): es la cantidad de calor que se desprende en la

combustión completa de la unidad de combustible quedando el agua producto de la combustión en forma líquida en condiciones normales de presión y temperatura (0 °C y 1 atm.)

Poder calorífico inferior (PCI): es la cantidad de calor que se desprende en la combustión

completa de la unidad de combustible, quedando el agua producto de la combustión en forma de vapor.

6.2.5. Rendimiento de un Generador de Vapor

Es una característica importante de estos equipos ya que da un índice de la bondad de su diseño para el aprovechamiento de la energía del combustible para producir vapor (ó agua caliente en una caldera de agua), por lo que debe ser tenida en cuenta por su incidencia directa en los costos.

Se obtiene como resultado de dividir la cantidad de calor asociada al vapor por la liberada por el

combustible en la combustión. Este cálculo no tiene en cuenta los calores sensibles aportados por el aire comburente y el combustible por ser despreciables frente al resto.


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Figura 6-6. Relación entre el CO2 y el exceso de aire en los gases de combustión para distintos combustibles

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Este resultado tiene distinto valor si se utiliza para determinar la energía liberada por el combustible, el PCS ó el PCI, por lo que siempre debe aclararse con cual se determinó el rendimiento; las normas de nuestro país establecen su cálculo con el PCI. (Norma IRAM-IAP A 25.8)

La determinación del rendimiento de un equipo puede hacerse por cualquiera de los dos

métodos siguientes: Método directo

Se mide la cantidad total de vapor producido (recalentado si corresponde), su temperatura y

presión, así como la cantidad de combustible consumido. Conocido el PCI de dicho combustible se puede determinar el calor que se suministra, entonces el rendimiento se calcula como el cociente entre el calor transportado por el vapor dividido el entregado por el combustible. Método indirecto o de pérdidas separadas.

Se evalúan las siguientes pérdidas: Pérdidas en los gases de combustión que salen por chimenea Pérdidas por no-quemados que salen por chimenea Pérdidas por radiación y convección producidas por el cuerpo del generador

Las mismas se calculan como porcentaje del poder calorífico del combustible, luego para el

cálculo del rendimiento se efectúa la diferencia entre 100 % y la suma de los porcentajes de las pérdidas calculadas.

Hay que tener presente que la cantidad de calor que se lleva el agua de purga de una caldera

no debe ser considerada como pérdida de la misma a los efectos del cálculo del rendimiento, ya que el hecho de que se deba efectuar esta purga y la cantidad de la misma depende fundamentalmente de la calidad del agua de alimentación a la caldera y no de la caldera misma.

6.2.6. Instrumental para Control y Medición del Rendimiento

Los dos parámetros fundamentales a medir son: las temperaturas y el análisis de gases de combustión

Medidores de Temperatura

Los tipos más utilizados son:

a) De dilatación o columna: responden a lo descripto en 1.9 b) De resistencia: Consisten en medir el valor de la resistencia eléctrica del elemento sensor

sometida a la fuente térmica que se quiere medir; el valor de la resistencia eléctrica varía proporcionalmente con el estado térmico alcanzado.

c) Termocuplas: utilizan el principio que dos metales distintos unidos en un extremo generan

una diferencia de potencial entre sí, si su otro extremo de la unión está a una temperatura distinta.

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6.2.7. Analizadores de Gases

El equipo analizador más conocido es el Orsat, con el que es posible conocer la composición porcentual en volumen de O2, CO2 y CO de una muestra de gas sacada de chimenea; su utilización requiere cierta habilidad al operador.

Los analizadores modernos se basan en el análisis continuo de la muestra tomada por succión

a través de un orificio practicado en la chimenea utilizando para ello diversas propiedades de los gases informando sus concentraciones en los gases de combustión e incluso los hay que simultáneamente dan los valores de su temperatura y el rendimiento aproximado de la combustión.

La mayoría de analizadores portátiles enfrían la muestra, lo que hace condensar el agua

formada en la combustión, la cual posteriormente es extraída con lo que la lectura obtenida puede considerarse expresada en función de la composición seca de los gases.

Los analizadores permanentemente instalados suelen analizar los gases a la temperatura de la

chimenea sin separar el agua formada en la combustión por lo que su lectura debe considerarse de composición húmeda. Sin embargo, conocida la composición en agua del combustible se puede pasar a la composición seca.

Para que las muestras de gases obtenidas sean representativas debe tenerse en cuenta las

posibles fuentes de error en la toma, tales como: Estratificación en el conducto. Infiltraciones parásitas de aire. Variaciones en la potencia de fuego del quemador.

Mediciones del CO2

La medición del CO2 resulta muy adecuada

para comprobaciones puntuales del estado de la combustión pero no se emplea para casos de medidores en sistema continuo que son la base de los sistemas modernos de regulación automática de la combustión.

El aparato de medición de CO2 más empleado

y a la vez más simple está basado en la absorción del CO2 por una solución de potasa contenida en el aparato (figura 6-7); después de la absorción se produce un aumento de nivel en el líquido que permite determinar la cantidad de CO2 existente en el volumen de muestra tomado. La muestra se toma succionando manualmente mediante una pera de goma y un tubo unido al aparato, introducido en el conducto de gases.

Figura 6-7. Equipo FIRITE para absorción de CO2 y O2.

80


El Orsat se basa en el mismo principio de absorción, aportando mayor precisión en la medida, pero es más voluminoso, delicado y de manejo más complicado pero permite determinar la composición volumétrica de los gases de combustión (CO2, CO, O2, SO2, H2) (figura 6-8).

Figura 6-8. Analizador ORSAT para absorción de CO2, O2, y CO.

Modernamente se tiende a la determinación del

exceso de aire a través del contenido de oxígeno. El porcentaje de CO2 varía para un mismo exceso de aire según el combustible empleado, mientras que el O2 es prácticamente independiente del combustible. Medición del O2

Para medir el O2 se pueden emplear sus

propiedades paramagnéticas ó eléctrica. La primera se funda en el efecto de atracción que un campo magnético ejerce sobre las moléculas de oxígeno contenidas en un gas. Las moléculas extraídas pasan a través de una resistencia eléctrica y la refrigeran; el cambio de temperatura en la resistencia modifica el valor de la resistividad eléctrica en un valor proporcional al contenido de oxígeno. Este sistema es bastante preciso salvo cuando los contenidos de oxígeno son muy bajos. En la figura 6-9 se muestra un esquema de este equipo.

Figura 6-9. Analizador paramagnético para O2


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En las instalaciones de control automático de combustión es preciso tener una referencia continua del exceso de aire, esto se consigue midiendo el contenido de oxígeno. El sistema paramagnético tiene un tiempo de respuesta largo y poca precisión en niveles de exceso de aire bajos, lo que no lo hace adecuado para estos sistemas.

Figura 6-10. Analizador de Circonio para O2

El sistema que utiliza su propiedad eléctrica dispone de un disco plano de circonio recubierto

con una fina capa de platino, se calienta a 700 °C y se coloca de forma que una de sus caras esté en contacto con la atmósfera (21 % O2) y la otra de sus caras con los gases de combustión, se crea entonces una diferencia de potencial entre sus caras que es proporcional a la presión parcial de oxígeno entre ambas caras. Cuanto menor sea el nivel de oxígeno en los gases, mayor es la señal. La tensión creada se emplea para controlar el caudal de aire o de combustible y la respuesta a variaciones es muy rápida. En la figura 6-10 aparece un esquema de este tipo de analizador. Medición de CO

La proporción del contenido de CO proporciona indicación sobre el contenido de este no-

quemado. Su empleo es particularmente aconsejable cuando el combustible es un gas. En los combustibles líquidos o sólidos, la producción de no-quemados suele ser claramente visible por la aparición de humos negros. Cuando el combustible es gaseoso, el único signo visible suele ser un cambio en la tonalidad de la llama.

Quemando gas, si únicamente nos guiamos por el resultado del análisis de O2 cabe la

posibilidad de que inadvertidamente se regulase la combustión con defecto de aire y se emitiese una peligrosa cantidad de CO.

Para medir la concentración de CO se emplean sistemas basados en la oxidación y coloración

química. En estos por un procedimiento de bombeo manual o mecánico, la muestra de gas se introduce en un pequeño tubo de con una escala que contiene un reactivo; este último se oscurece en una longitud proporcional al contenido de CO en la muestra. Estos equipos se prestan bien para mediciones de muy bajos porcentajes de CO.

Otros equipos emplean células electroquímicas que toman muestra en continuo y utilizan el

principio de absorción de la radiación infrarroja; cada uno contiene una célula detectora que envía una señal eléctrica a un puente de wheatstone. La concentración se mide por comparación entre la absorción de cada componente. Este método se utiliza también para medir en forma continua el porcentaje de CO2.


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Opacidad de los gases de combustión. Cuando se trabaja con combustibles sólidos o líquidos la mala combustión da lugar a la

formación de hollín dando lugar al humo negro visible en la chimenea. Para establecer el grado de contenido de hollín se procede a la toma de una muestra de los humos, empleando bombas de succión manuales o eléctricas. La muestra se hace pasar a través de un papel de filtro especial, en el papel se forma una mancha circular, cuyo color puede variar del negro al blanco, la tonalidad está relacionada con la cantidad de no-quemados sólidos contenidos en los humos.

La mancha obtenida se compara con una serie de manchas patrón que actúan de testigos

numerados y de intensidad creciente. Si está dentro de los primeros valores se considera aceptable. La escala Bacharach es más precisa que la Ringelmann (figura 6-11), esta última tiene más

aplicación en el control de polución atmosférica. También existen métodos de medición en continuo.

0 I II III IV V

Figura 6-11. Escala Ringelmman

El método Bacharach permite la detección de este tipo de no-quemados sólidos (hollín) y permite una estimación de pérdida, aplicando criterios aproximados indicados en la tabla siguiente:

Índice Bacharach 1 2 3 4 5 6 % de pérdida sobre el combustible 0,7 1,3 2,4 3,5 4,7 6

La medición con el método Ringelmann consiste en la comparación visual de una escala de

grises contra los humos de la chimenea, estableciéndose con cual de los cuadros hay más similitud.

6.3. Equipos de Combustión

Para quemar los distintos combustibles, se requieren diferentes equipos adecuados para cada paso. Los combustibles pueden quemarse con instalaciones diversas, algunos diseños implican grandes inversiones fijas y ello va generalmente acompañado de mejores rendimientos y costos de operación reducidos o de una mayor seguridad de operación.

Los combustibles de alto poder calorífico: petróleo, carbón, gas, que exigen, como se señaló,

de 14 a 16 kg de aire por cada 10.000 kcal, dan diferentes resultados que los celulósicos, que necesitan de 22 a 24 kg de aire por cada 10.000 kcal liberadas, aun cuando el principio con que operen los equipos de combustión, pueda ser el mismo.

En caso de usarse aire caliente, las temperaturas tienen a veces límites máximos, que no

pueden sobrepasarse, pues ello lleva aparejado problemas de otro tipo, como sobretemperaturas en partes del equipo.

Se hace notar finalmente sobre los tamaños y diseños de hornos y hogares, en lo referente a

que tienen límites para que pueda desarrollarse la combustión y transferir su energía con valores adecuados de temperaturas medias en la cámara de combustión.

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6.3.1. Quemadores para Líquidos

La forma de quemar los combustibles líquidos, derivados pesados del petróleo, residual, fuel oil, gasoil, etc., consiste en pulverizarlos finamente para poder obtener así una mezcla del aire de combustión y combustible. Se acostumbra decir que el quemador "atomiza" el combustible.

Para un buen funcionamiento, todos los quemadores requieren que el combustible tenga una

viscosidad adecuada; y que no arrastre basura o suciedad; cada tipo de quemador necesita, además, que el combustible le sea entregado a una determinada presión.

Lo anterior, se obtiene filtrando, calentando y bombeando el combustible, de manera que se

eliminen impurezas, que la temperatura sea la adecuada para lograr la viscosidad conveniente y que la presión sea la necesaria. Estos elementos: filtros, calentadores, bombas, etc., normalmente se ubican y combinan en un equipo, formando un conjunto. Es necesario a veces la ubicación de calentadores adicionales en el punto de succión de los tanques a fin de evitar resistencias excesivas en el bombeo del fluido por las cañerías.

Existen varios tipos de quemadores industriales para petróleo. La diferencia básica reside en la

forma como atomizan el combustible: por vapor o aire comprimido, por aire a baja presión, por presión mecánica, por fuerza centrífuga o los tipos mixtos a presión mecánica y vapor, constituyen distintas formas que se utilizan para lograr la pulverización.

Los quemadores a vapor o aire comprimido pulverizan el combustible efectuando el arrastre de

éste, por una fuerte corriente del agente atomizador. La presión mínima del vapor o aire comprimido para el buen funcionamiento es de 2 atm. (Figuras 6-12 y 6-13)

Figura 6-12. Boquilla de quemador con atomización a vapor


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Figura 6-13. Boquilla de quemador con atomización por aire La viscosidad conveniente del petróleo es de 75 cSt. No se requiere mayor presión de

suministro; solamente debe asegurarse la fluencia del combustible al quemador. El consumo de vapor es relativamente alto, entre el 5 y el 7 % de la producción, si bien en los nuevos diseños se ha logrado considerable economía.

Con aire comprimido se requiere del 5 al 14 % del aire de combustión necesario; la cifra más

baja corresponde a presiones de 10 atm y la más alta a 12 atm. Los consumos de aire o vapor pueden elevarse mucho por un manejo descuidado del equipo, pero esto no rige para los nuevos diseños mencionados anteriormente. Los quemadores pueden construirse en tamaños grandes (1.500 kg/h y mayores). La capacidad de regulación oscila 1 a 3 ó 1 a 4.

Los quemadores por aire a baja presión funcionan con aire de 300 a 1.500 mm H2O (0,03 á

0,15 atm). El principio de funcionamiento es similar a los anteriores, aunque el diseño es bastante distinto. Una corriente de aire a 75 á 100 m/s arrastra y pulveriza el petróleo.

La viscosidad conveniente del petróleo es de 21 cSt y la presión de suministro de 0,5 a 2 atm.

Se necesita del 20 al 50 % del aire de combustión para lograr una buena atomización y el aire debe ser frío. Estos quemadores se construyen en tamaños de 5 a 600 kg/h. El rango de regulación es de 1 a 4.

Los quemadores de presión mecánica trabajan bajo otro principio. El petróleo es enviado a alta

presión a la pastilla atomizadora, entrando tangencialmente a una pequeña cámara de turbulencia, donde toma un rápido movimiento giratorio y luego se lo expulsa axialmente por un pequeño orificio central (Figuras 6-14 y 6-15).

La combinación de las fuerzas axiales y centrífugas, pulverizan el petróleo, originando una nube

de forma cónica. La forma o ángulo de apertura de la llama, puede variarse, modificando la relación de fuerzas tangenciales y axiales que resultan del diseño de cada pastilla.


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Figura 6-14. Pastilla de atomización por presión Figura 6-15. Pastilla quemador sin retorno

La viscosidad conveniente de suministro del petróleo es de 25 cSt, la presión de atomización varía de 5 a 25 atm. Como el caudal varía con el cuadrado de la presión, el rango de regulación de la pastilla es pequeño, 1 a 2,5, debiéndose efectuar el cambio de la misma para mayores variaciones.

La razón de no poder alterarse mucho el caudal con una pastilla, es debido a mantenerse,

dentro de ciertos límites la velocidad de rotación en la cámara de turbulencia, si baja el caudal, también baja dicha velocidad y la atomización empeora.

Una innovación, consiste en enviar a la pastilla una cantidad constante de fuel oil, asegurando

así la constancia de la turbulencia necesaria. El combustible, se divide saliendo una parte por el orificio y la otra retorna al tanque. El caudal se regula entonces, modulando la cantidad de combustible que vuelve. En esta forma se obtiene con una pastilla, rangos de variación de 1 a 10 (figura 6-16).

Los quemadores de presión mecánica, se construyen en tamaños de hasta 1.500 kg/h y

mayores.

Figura 6-16. Pastilla de quemador por presión con retorno




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Los quemadores de fuerza centrífuga, constan de una pieza en forma de copa cónica, que gira rápidamente. El petróleo se hace llegar a ella por un eje hueco, saliendo desprendido por los bordes de la copa finamente pulverizado en virtud de la fuerza centrífuga (Figuras 6-17 y 6-18).

La copa gira con velocidad periférica de

10 a 30 m/s y para una eficiente pulverización no se debe cargar con más de 10 a 20 kg/h por centímetro de circunferencia.

El combustible es proyectado según un

plano (el borde de la copa), llevando estos quemadores acoplado un ventilador, que sopla en forma paralela al eje un 10 a 20 % del aire de combustión, se origina por esta composición de fuerza una llama cónica.

La viscosidad no debe de ser menor de

75 cSt, pues con valores inferiores no se logra buena adherencia del combustible a la copa, no toma la velocidad de giro requerida y la atomización no es correcta. La presión de suministro del combustible es de 0,3 á 0,5 atm. Se construyen en tamaños de 10 a 700 kg/h siendo el rango de regulación de 1 a 6.

Figura 6-17. Esquema de quemador rotativo Un desarrollo con mucho éxito, es el sistema de atomización mixto: se trata de la atomización

mecánica ayudada por vapor. Este sistema ha dado excelentes resultados, su consumo de vapor es mínimo 1% o menos y la atomización muy efectiva.

Figura 6-18. Quemador copa rotativa


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Se han descripto hasta ahora, las formas como los distintos tipo de quemadores atomizan el combustible. Ellos van provistos siempre de un elemento complementario: el registro. Éste permite orientar y regular la entrada de aire asegurando la eficiente mezcla, indispensable para una combustión completa.

Según sea el diseño del quemador y del registro, se pueden lograr llamas de distintas formas.

Los quemadores a vapor se prestan especialmente para ello. En los de aire a baja presión, puede variarse el ángulo de divergencia dentro de límites estrechos.

Los de presión mecánica también lo logran según el diseño de la pastilla, y los de fuerza

centrífuga por regulación del aire primario. El aire de combustión puede ser frío o precalentado; para quemar el petróleo no hay límites

máximos de temperatura del aire; con éste altamente calentado, la combustión es más rápida, la llama más corta y la eficiencia de la combustión mayor.

Como complemento de lo dicho, cabe alguna consideración sobre los costos de operación y de

inversión de los distintos tipos de quemadores comentados. Los que requieren menor inversión fija o sea los de atomización por vapor, tienen un alto costo

de operación. A la inversa, los que tienen un costo de operación bajo (atomización por presión mecánica), requieren una inversión fija elevada.

A continuación se dan unas cifras comparativas sobre dichos costos en inversiones:

Forma de atomización Costo de operación inversiones Por vapor 4,0 1,0 Por aire a baja presión 1,2 2,5 Por fuerza centrífuga 1,1 3,0 Por presión mecánica 1,0 4,0

A continuación en las figuras 6-19, 6-20 y 6-21 se muestran otros tipos de pastillas.

Figura 6-19. Atomización a presión por pistón Figura 6-20. Alimentación con doble circuito de

presión



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Figura 6-21. Atomización con ranura regulables

6.3.2. Quemadores para Gases

Para quemar los combustibles gaseosos, hay también distintos tipos de quemadores que se utilizan de acuerdo a los más variados requerimientos. Los que se describirán más adelante, pueden ser usados para cualquiera de los combustibles gaseosos. Excepto el gas de alto horno y el de gasógeno, dado que ellos, en razón de su bajo poder calorífico, requieren diseños especiales.

La diferencia fundamental que se logra con los distintos tipos de quemadores es la

característica de la llama; los de premezcla, queman con una llama corta y concentrada en la boca del quemador; en los de mezcla en el momento de la combustión, la llama es más larga, y en los casos de poca turbulencia, en que se realiza la mezcla de gas y aire por difusión, obteniéndose llamas muy largas y luminosas de alto poder radiante.

El gas, por la forma de quemarlo presenta, además, la posibilidad de regular muy bien la

relación aire - gas, lográndose en el hogar atmósferas reductoras, neutras u oxidantes, siendo de gran valor en aquellos hornos usados para el tratamiento térmico de metales. En los quemadores de premezcla, se requiere primero un mezclador de gas y aire. Este puede ser del tipo eyector, en el cual el gas, actuando como masa primaria, aspira el aire y envía la mezcla a los quemadores. Con gas de baja presión (100 ó 200 mm H2O) no es posible aspirar todo el aire necesario, pero se puede cuando se dispone de gas a mayores presiones.

También se puede realizar la mezcla con un eyector, pero en el cual el aire trabaja como masa

primaria y aspira el gas reducido a presión atmosférica, por una válvula reductora. Con este mezclador, se logra una regulación buena de la relación aire - gas, para distintos regímenes de funcionamiento.

Puede también usarse un ventilador que aspire aire y gas, ambos a presión atmosférica y

entregue la mezcla a la presión conveniente.


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La mezcla que se obtiene de cualquiera de los anteriores dispositivos, se envía a los quemadores propiamente dichos, que en su forma más sencilla son un simple orificio (Figura 6-22). En los casos en que se requiera variación de caudales de cierta magnitud, los quemadores deben responder a un diseño más elaborado. Aquí se debe recordar lo dicho respecto a la velocidad de ignición de las mezclas de gas y aire. Si la velocidad en la boca del quemador es muy baja, se producirá un retroceso de llama, si en cambio es muy alta se producirá el soplado de esta. En ambos casos se apagara el quemador. Ello, se evita con un diseño especial de la boquilla, manteniendo una sección a la que corresponda una velocidad tal que evite el retroceso y estando además provista de unas pequeñas perforaciones en las cuales la mezcla pierde velocidad, quedando siempre encendidas unas pequeñas llamas a manera de piloto, que evitan el soplado y eventual apagado del quemador. También puede obtenerse el mismo resultado con una boquilla divergente.

Figura 6-21. Atomización con ranura regulables

Otros modelos de quemadores, reciben el gas y el aire a una pequeña presión y se mezclan en el quemador. Válvulas de aire y de gas permiten regular los respectivos caudales; vinculando los vástagos de las válvulas en forma solidaria, se mantiene constante la relación aire - gas, para distintos regímenes de combustión.

En las figuras 6-23 y 6-24 se muestran dos quemadores típicos para combustión de gas natural.

Figura 6-23. Quemador tipo anillo Figura 6-24. Quemador tipo lanza




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En la figura 6-25 se muestra un quemador típico dual para grandes potencias del tipo lanza. Para potencias inferiores podemos encontrar los quemadores monobloques que disponen de

ventilador incorporado y pueden quemar tanto combustibles líquidos como gaseosos. En la figura 6-26 se muestra un quemador de este tipo.

Figura 6-25. Quemador dual con pulverización por vapor

Figura 6-26. Quemador monobloque dual

6.3.3. Combustión de sólidos.

Los sólidos se queman en trozos sobre grillas fijas o móviles. Pueden quemarse también en

montones o pilas, sobre una solera refractaria. Finamente pulverizados, se queman en suspensión dentro de una corriente de gases; cuando el

grado de desmenuzamiento no es suficiente, se queman parcialmente sobre grillas y el resto en suspensión.

Sobre grillas se quema el carbón y la leña en trozos; en pilas se queman la leña, los rezagos

vegetales, aserrín, etc.; el carbón pulverizado, se quema en suspensión al igual que rezagos que tienen un porcentaje de finos importante: aserrín, bagazo, etc.

Las distintas formas enumeradas se eligen según la consideración de varios factores: tamaño

de la unidad generadora de vapor, combustible a usar, granulometría, grado de humedad, contenido de carbono fijo y materias volátiles; porcentaje de cenizas y sus temperaturas de ablandamiento y fusión, tendencia del combustible a fundir y formar masas aglomeradas, etc.

Otra forma muy usada, principalmente para quemar leña o todo tipo de rezagos vegetales, es el

montón o la pila, sobre una solera de refractario. No sólo es importante elegir adecuadamente la forma de quemar un combustible, sino que,

además, el horno debe estar convenientemente dimensionado y diseñado.



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Las grillas pueden de ser fijas o móviles, las fijas se cargan y limpian a mano, siendo uno de los sistemas más antiguos de combustión. Puede quemarse en ella todo tipo de carbón o leña; el diseño de los barrotes debe adecuarse a la granulometría del combustible.

La circunstancia de que la carga y limpieza de la grilla se efectúe a mano, limita la profundidad

a 2 metros como máximo y el ancho no debe de ser mayor de 1,20 m; para mayores anchos deberán tener más de una puerta de carga y limpieza.

Bien atendidas las grillas trabajan con buen rendimiento, pero si se desea llevar un régimen de

combustión alto, la atención resulta penosa para el personal de foguistas. Las grillas mecánicas son básicamente de dos tipos: grilla de cadena móvil y fija volcable. El combustible se alimenta desde un agujero de la bóveda y cae formando una pila sobre la

solera, donde se quema. El aire se inyecta por agujeros existentes en las paredes. La combustión se desarrolla en la superficie de la pila.

La ceniza se va acumulando en el piso y cada tanto debe limpiarse. Esto hace que los hornos

sólo puedan funcionar bien con combustibles como los celulósicos, cuyo contenido de ceniza es bajo (0,5 á 1,5%).

El horno debe limpiarse cada 6 a 12 horas, debiendo detenerse para ello la caldera de 15 a 20

minutos cada vez. El diseño original es con las paredes del horno no refrigeradas, por lo tanto la temperatura media es muy elevada, produciéndose principios de fusión de cenizas, que dificulta sobremanera la limpieza, siendo atacado el refractario por la ceniza fundida, obligando a frecuentes y costosas reparaciones.

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7. TRATAMIENTO DE AGUA

7.1. Características de las aguas

7.1.1. Características físicas

a) Turbiedad: Es la medida de la opacidad del agua comparada con un patrón; es un índice de la cantidad de luz que pasa a través de una muestra. La turbiedad se debe a la presencia de impurezas en suspensión o coloidales, las cuales reflejan o absorben la luz impidiendo el paso a través de dicha muestra.

Las unidades habitualmente utilizadas son:

mg/l de SiO2 (comparación con soluciones estándar de SiO2). U.J.T. (Unidades Jackson de Turbiedad).

Numéricamente las dos expresiones pueden considerarse iguales.

b) Color: Es debido únicamente a las materias en solución. La Unidad utilizada es:

mg/l de Pt o unidades APHA (American Public Health Association).

c) Olor y sabor: En el agua se deben a la presencia de materia orgánica, salvo en el caso de

que el agua contenga sulfuro de hidrógeno. No existe medida para los olores y sabores. d) Sólidos en suspensión: Cantidad de sólidos que se retienen cuando una muestra de agua se

filtra a través de un papel filtro especial. La unidad utilizada es mg/l de S.S. e) Sólidos totales disueltos: Suele utilizarse la expresión TDS (Total Disolved Solids). Se

obtiene por evaporación a 100 °C. Se utiliza como unidad el mg/litro, o ppm. f) Aceites: Dentro de esta denominación están los aceites y otras sustancias medidas en

laboratorio por extracción. Se utiliza como unidad el mg/litro.

7.1.2. Características químicas

Dentro de esta denominación se incluyen el pH y todas las sustancias minerales disueltas en el agua. Atención especial merecen el CO2 y el SiO2, por el papel que desempeñan en la química del agua.

Se ha visto pues, que el agua de que se dispone contiene sustancias que varían ampliamente

en tipos y cantidades. Los tipos de impurezas encontrados en el agua se pueden clasificar como sólidos disueltos y en suspensión y gases disueltos.

A continuación se indican los factores específicos que afectan a las operaciones de las

calderas.

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7.1.2.1. Impurezas de las aguas que afectan a las calderas

a) Dureza: Es causada por las sales minerales de Ca y Mg, que son las responsables de las incrustaciones en los tubos.

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b) Gases disueltos: Entre ellos, particularmente el oxígeno que es parte esencial del proceso de corrosión, y dióxido de carbono que se combina con el agua y origina ácido carbónico.

c) Ácidos: Hay ácidos orgánicos que provienen del suelo y principalmente ácido carbónico que

ya se ha mencionado. Todos los ácidos son corrosivos. d) Álcalis: No es un problema corriente, pero puede ser producido en el propio tratamiento

(fragilidad cáustica) e) Total de sólidos disueltos: Éstos son las sales minerales que no forman incrustaciones.

Pueden producir espumas y arrastres. Las técnicas de depuración y acondicionamiento del agua que existen habitualmente requieren

un estudio analítico detallado para asegurar los objetivos del tratamiento.

7.2. Instalación y necesidad del tratamiento de agua

El vapor se produce por el cambio de fase del agua suministrada a la caldera por las bombas de alimentación.

El agua de alimentación se compone por el agua de reposición y por el retorno de

condensados. La relación entre los caudales de ambos es muy diversa, pues mientras en centrales que generan energía, la cantidad de condensado en el agua de alimentación es del 97%, en otras puede llegar a ser del 30 % o el 0 %, en algunos casos.

Las sales duras de Ca, Mg y también las silíceas, al evaporarse el agua en la caldera llegan a

cristalizarse y se depositan en forma de incrustaciones en los tubos. Estos sedimentos empeoran la transmisión del calor y la temperatura de los tubos aumenta, lo que conduce al recalentamiento y a la rotura de los mismos. En general, se puede decir que como toda impureza del agua se refleja perniciosamente en el funcionamiento de la caldera, no se debe ingresar a la misma agua que no haya sido previamente tratada.

Hasta hace pocos años se empleaban multitud de métodos para acondicionar el agua de la

caldera. El más conocido era el tratamiento con cal sosa, trifosfato. En la actualidad el intercambio iónico ha progresado técnicamente hasta el punto que ha

encontrado general aceptación en la preparación de agua de alimentación de calderas.

7.3. Consideraciones acerca del tratamiento del agua

La preparación del agua para calderas requiere un estudio cuidadoso y bien planificado. Para decidir el tipo de tratamiento que se ha de llevar a cabo, se deberán considerar los factores siguientes:

a) Tipo de caldera: Tiene importancia tanto la presión como el diseño; por ejemplo hierro

fundido o acero, de vapor o de agua caliente; y la cantidad y tipo de impurezas que una caldera puede tolerar sin dificultades.

b) Naturaleza del agua bruta: El agua puede ser dura o blanda, corrosiva o incrustante, etc.,

según la cantidad y tipo de impurezas.

c) Tratamiento preliminar o pretratamiento del agua: Éste puede ser: ablandamiento, paso por precalentadores, desgasificadores, etc.

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d) Cantidad de agua bruta y purgas requeridas.

e) Empleo del vapor: Es diferente que se utilice por ejemplo para calentamiento solamente o para otros fines.

f) Supervisión y controles que se disponen: El acondicionamiento del agua para suministro

de calderas forma parte de toda operación industrial y requiere el servicio constante de especialistas que deben saber cómo y cuándo deben actuar.

Cada instalación se debe considerar individualmente. Una vez decidido el tratamiento se

deberán realizar los análisis correspondientes por el personal de operación de la caldera o por el de laboratorio. El laboratorio deber hacer análisis para confirmar resultados. Un aspecto importante es asegurarse que los componentes empleados en el tratamiento no violan cualquier ordenanza municipal con respecto a purgas, drenaje de calderas, etc.

Como puede deducirse de todo lo anterior, el tratamiento del agua es una de las operaciones

más sofisticadas de la química del agua.

7.4. Objetivos del tratamiento del agua

Los objetivos de todo tratamiento son: a) Mejorar la seguridad de la caldera y su rendimiento. b) Reducir costos de operación. c) Reducir reparaciones costosas. d) Mantener altas transferencias de calor. e) Evitar corrosiones e incrustaciones. Control de problemas derivados del agua en calderas Los problemas que se producen en calderas son, principalmente: CORROSIONES. Están relacionadas con los gases disueltos y los ácidos. INCRUSTACIONES. Están relacionadas con la dureza. ARRASTRES. Están relacionados con las espumas y los sólidos disueltos en agua y vapor. FRAGILIDAD CÁUSTICA. Esta relacionada con los álcalis.

Hay 3 medios básicos para controlar estos problemas: TRATAMIENTOS EXTERNOS del agua, antes de entrar en la caldera, para reducir o

eliminar dureza, sílice, gases, sólidos, etc. TRATAMIENTOS INTERNOS del agua de alimentación, agua de caldera, vapor o

condensado. PURGAS para control de la concentración de los componentes químicos en el agua de

caldera, evacuando una porción del agua de caldera.

7.4.1. Tratamientos externos

Los tratamientos externos se emplean para reducir o eliminar las impurezas del agua de la caldera, antes de entrar en la misma.

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En general, los tratamientos externos se emplean cuando la cantidad de una o más impurezas del agua de alimentación es demasiado alta para ser tolerada por el sistema de la caldera. Existen diferentes tipos de tratamientos externos que se pueden emplear, ya que las exigencias de calidad del agua varían con las industrias, y aun dentro de la misma industria se pueden necesitar diferentes calidades de agua.

Los objetivos generales del tratamiento del agua se han indicado anteriormente. Mientras que

algunos de estos objetivos se pueden alcanzar con un tratamiento interno sólo, el diseño de la caldera puede no permitir el aumento de sólidos en suspensión resultante de estos tratamientos; entonces es necesario el pretratamiento para evitar la formación de estos sólidos. Como objetivos específicos del tratamiento externo se pueden indicar:

Control de arrastres. Prevención de incrustaciones. Prevención de corrosiones. Las operaciones previas (externas) a que puede ser sometida el agua son: Aireación. Cloración. Clarificación. Filtración. Ablandamiento por precipitación. Intercambio iónico. Desmineralización. Desgasificación. Ósmosis inversa.

7.4.2. Tratamientos internos

Consisten en el acondicionamiento de las impurezas del agua, dentro de las calderas, por medio de ciertas reacciones químicas. Estas reacciones se producen bien en la caldera o en las tuberías de alimentación, después del tratamiento externo. Pueden emplearse únicamente tratamientos internos, o bien combinados con tratamientos externos. Como objetivos específicos del tratamiento interno pueden mencionarse:

Obtener una reacción apropiada con la dureza del agua de alimentación. Control de corrosiones. Eliminación del oxígeno disuelto. Evitar arrastres. La pregunta que se puede plantear es: ¿Cuándo es necesario el tratamiento interno? La

respuesta es clara: siempre, aunque el agua haya sido o no pretratada, ya que es un complemento del externo en la mayoría de los casos o un sustituto del mismo en algunos casos.

Los tratamientos internos más comunes y de tecnología más avanzada son: Coagulación. Programa de fosfato residual. Programa de fosfato coordinado. Tratamiento con quelato. Tratamiento S.C.A. Transport plus.

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Control de pH El agua con un pH bajo ataca el acero. La neutralización del pH con un álcali tal como NaOH o

CO3Na2 es efectiva.

Debe mantenerse un pH de 8,3 á 9 para proteger del ataque ácido. Sistemas de vapor de baja presión y sistemas de calentamiento de agua caliente

El mayor problema es la corrosión causada por O2 disuelto y el bajo pH. Estos sistemas se

tratan normalmente con cromato o nitrato para formar una película protectora de las superficies metálicas, manteniendo un producto residual de 800 á 1.200 ppm. No es necesaria una adición continua.

7.4.3. Purgas de la caldera

Deben distinguirse 3 clases de purgas en las calderas. Purgas del fondo de la caldera para eliminar lodos y fangos (PURGA DE FANGOS). Purgas para eliminar del agua el exceso de sales de todos los tipos perjudiciales. Esto se

realiza desde el calderín de la caldera (PURGA CONTINUA O DE DESCONCENTRACIÓN). Purga de indicadores e intercambiadores de nivel. En estos dispositivos de seguridad

debemos asegurar que las conexiones existentes a través de ellos están limpias y libres de cualquier deposición de lodos o de incrustación. Ésta, en realidad, es más una medida de seguridad que una purga.

Purga de lodos

Son purgas intermitentes. Al abrir una válvula de cierre rápido para extracción de fangos sale

bruscamente agua de la caldera y, en la impulsión producida, los fangos depositados en el fondo de la caldera son aspirados y expulsados. El tiempo de duración de la purga, con las válvulas de cierre rápido (tiempo de apertura de la válvula), es de sólo 2 á 4 segundos. La presión y la cantidad de agua permanecen, en consecuencia, prácticamente invariables. Purga de agua

Se suelen realizar de forma continua o intermitente. En calderas acuotubulares y en

humotubulares, excepto en las muy pequeñas. Conviene que la purga sea continua, puesto que se pierde menos energía, y el nivel de sales se mantiene constante durante todo el funcionamiento de la caldera.

7.5. Características límites del agua en el interior de las calderas. Problemas.

Es necesario purgar las calderas regularmente para eliminar el exceso de sales disueltas y mantener la concentración adecuada en el interior de las mismas, evitándose de esta forma las incrustaciones en los tubos y placas en el lado agua y la formación de espumas, así como los arrastres por el vapor. El control adecuado de la purga es un aspecto muy importante en la operación de la caldera. Una purga insuficiente puede ser la causa de incrustaciones y arrastres, mientras que una purga excesiva produce un gasto extra de agua, calor y productos químicos.

100

Para evitar estas pérdidas innecesarias de calor, agua y productos químicos, el nivel de las purgas debe ser tan bajo como sea posible, compatible con el nivel aceptable de sólidos disueltos.

Si se recupera todo el condensado la purga será reducida drásticamente. La purga es una de

las operaciones más importantes de la explotación de una caldera, pero a menudo es descuidada o hecha irracionalmente.

Existen recomendaciones sobre la concentración de sustancias máximas admisibles disueltas

en el agua de la caldera. El ajuste de la purga se puede realizar basándose en unos simples análisis del agua, pudiendo

ser los más comunes:

Total sólidos disueltos. Sílice (para alta presión). Cloruros. Alcalinidad. Sólidos en suspensión.

7.6. Cálculo del caudal de purgas

En la figura 7-1 se muestra un esquema de instalación del sistema de purgas. De acuerdo a este esquema se puede calcular la cantidad de purga como se explica a continuación:

Figura 7-1. Esquema de instalación de purgas de una caldera


101

Por definición el porcentaje de purga es:

kCantidad de Agua Purgada

Cantidad de Agua Alimentada1 100 (7-1)

siendo: P: Caudal de agua purgada (kg/h). k1: Caudal de purga (% sobre el caudal de agua de alimentación). X: Caudal de vapor (kg/h). a: Concentración de una sustancia en el agua aportada (ppm). b: Concentración de dicha sustancia en el agua del interior de la caldera (ppm). P+Z: Caudal de agua aportada (condensados no recuperados más purga) (kg/h).

Por lo tanto:

kP

P Z1 100(%)

(7-2)

Para calcular la purga “P“ en kg/h hay que igualar la cantidad de sustancia saliente con la

entrante. Sustancia saliente: P b mg h ( / )

Sustancia entrante: ( ) ( / )P Z a mg h

Pa Z

b akg h

( / ) (7-3)

103

8. OPERACIÓN, MANTENIMIENTO Y CUIDADO DE LAS CALDERAS

8.1. Primera puesta en marcha: Inspección del Generador por el lado fuego; por el lado agua; inspección de los equipos auxiliares; llenado y cocción.

Antes de intentar la puesta en marcha inicial de una caldera nueva, ésta, deberá haber sido inspeccionada y constará de las correspondientes autorizaciones de instalación y de puesta en servicio.

Antes de cerrar las partes en contacto con el agua, examínense éstas, así como las que vayan

a estar en contacto con los gases, para asegurarse de que cada una de ellas esté libre de herramientas y objetos extraños y de que nadie esté dentro de la caldera. Eliminar por medio de lavado u otros medios mecánicos todas las sustancias que en forma de suciedad, basura, rebabas o depósitos superficiales se encuentren en las partes internas de la caldera. Inspeccione las partes internas del domo para verificar que estén convenientemente sujetas y que se encuentran en perfectas condiciones.

Inspeccione la cámara de combustión y los pasos de los gases, para comprobar que están

limpios y estancos, y que todos los registros para limpieza o inspección están bien montados y apretados. Asegúrese de que toda materia combustible ha sido retirada de la caldera.

Inspeccione y opere todas las partes componentes del sistema de combustión, hasta donde sea posible, sin admitir combustible al hogar. Opere todos los componentes del sistema de tiro y todos los elementos del sistema de control automático, en su caso, para determinar que estén en buenas condiciones de operación. Asegúrese de que todas las puertas y tapas de aberturas y accesos operan libremente y se encuentran en buenas condiciones. Compruebe el funcionamiento de todos los dispositivos de regulación y de seguridad (válvulas, sistema de bloqueo, de corte de alimentación de combustible o del sistema de alimentación de energía, etc.) antes de encender la caldera.

Compruebe que las válvulas de purga, columnas de agua, y válvulas de drenaje de los indicadores de nivel, válvulas de prueba y válvulas y controles de agua de alimentación estén en buenas condiciones y que se encuentren cerradas. Asegúrese de que las válvulas situadas entre la caldera y la columna de agua, así como las válvulas de cierre de los indicadores de nivel se encuentran totalmente abiertas. Comprobar la posición de los niveles de agua en los indicadores de nivel, llenando la caldera con un registro de hombre abierto y midiendo directamente el nivel de agua en el domo y en el visor de nivel.

Comprobar el buen funcionamiento de las válvulas de drenaje del indicador de nivel, vaciando

éste totalmente por medio de dichas válvulas. Antes de llenar la caldera con agua es imperativo abrir las válvulas de venteo o aireación en los

domos y tambores de la caldera, sobrecalentador, válvulas de drenaje del colector del sobrecalentador, economizador, así como las válvulas en alguna línea especial de recirculación, cuando exista.

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Llenado Llénese la caldera con agua tratada adecuadamente, hasta el nivel de operación mínimo

recomendable, o hasta el nivel indicado por el fabricante. No llene la caldera con agua calentada por encima del punto de ebullición, ya que esto producirá evaporaciones instantáneas. Evite también llenar la caldera con agua excesivamente fría. Siempre que sea posible, la caldera se llenará con agua a temperatura ambiente. Luego cierre las conexiones de alimentación. Si se tienen conexiones auxiliares de alimentación, éstas se utilizarán en prueba conjunta con las válvulas principales de alimentación, cuando se llene la caldera, para comprobar a la vez sus condiciones de trabajo. Abra y cierre las válvulas de los indicadores de nivel y las válvulas de purga de las columnas de agua, para asegurarse de que todas las conexiones estén libres y limpias. Dependiendo de la capacidad de producción de vapor y del tipo de la caldera, puede ser necesario purgarla o agregarle agua para mantener el nivel de agua dentro de los límites de seguridad durante el proceso de elevación de presión.

Compruebe el manómetro de presión y su montaje, así como que todas sus válvulas estén

abiertas. Compruebe que las válvulas de seguridad estén listas para operar y que las tuberías de descarga estén correctas.

Afloje ligeramente el vástago de la válvula principal de vapor para prevenir esfuerzos de

expansión considerables cuando se levante la presión desde la condición de frío. Si no hay vapor en ninguno de los lados de la válvula principal, ábrala ligeramente y vuélvala a cerrar para asegurarse de que no esté pegada.

Si el conjunto dispone de una gran cantidad de materiales refractarios, debe secarse completamente y de modo gradual, lento, manteniendo el régimen de fuego bajo. Cuando el revestimiento refractario y aislante es nuevo, el secado puede requerir bastante tiempo. El fuego debe ser sólo el suficiente para mantener el agua de la caldera a una temperatura apropiada (y a un nivel normal). Los drenajes de salida del sobrecalentador deben estar completamente abiertos. En general, se seguirán siempre las instrucciones del fabricante. Curado

Cuando una caldera nueva se va a poner en servicio por primera vez, se puede limpiar curándola con una solución detergente y alcalina para eliminar todas las sustancias extrañas, principalmente aceite y grasa de la superficie metálica de la caldera, paredes de agua, economizador y sobrecalentador. Si el sobrecalentador es del tipo no drenable, no debe intentarse el curado en el mismo. Durante las operaciones de curado se recomienda la instalación temporal de indicadores de nivel de agua o bien limpiar los cristales del mismo después de la cocción.

Para realizar el curado se seguirán las instrucciones del fabricante. Un procedimiento corrientemente empleado consiste en lo siguiente:

Llenar inicialmente la caldera hasta la mitad del visor de nivel, preferiblemente con agua algo caliente. Disuelva completamente para 1.000 Kg de agua contenidos en las partes a presión de la caldera, 2 Kg de cada uno de los siguientes reactivos: carbonato sódico, fosfato trisódico y sosa cáustica, e introduzca esta solución gradualmente en el agua, pre-ferentemente a través del registro de hombre situado en la parte superior. Añada un detergente sintético no espumante y estable, en una solución fuertemente alcalina. Cierre la caldera y encienda un fuego ligero, suficiente para tener una circulación positiva en todas las partes de la caldera. Continúe la cocción durante un par de días y después purgue totalmente la caldera.

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Otras recomendaciones en relación con la primera puesta en marcha son las siguientes:

Una vez que el agua comienza a calentarse, compruebe el nivel de agua en la superficie transparente del indicador y revise que no hay fugas en las válvulas de purga. Cuando vea que el vapor se está escapando a través de las válvulas de aireación de la caldera por un período suficiente para asegurar la expulsión de todo el aire, cierre dichas válvulas de aireación y reajuste las válvulas de drenaje y de aireación del sobrecalentador, para mantener un flujo de vapor a través del sobrecalentador hasta que la caldera tome presión.

Una vez que el refractario está seco y la caldera ha sido calentada uniformemente, aumente la presión de vapor lentamente. Mantenga el nivel de agua visible en el indicador. Cuando la presión de vapor se aproxima a la de trabajo, y antes de poner la caldera en servicio, purgue la caldera hasta que el nivel de agua sea el apropiado. Durante y después del período inicial de calentamiento los prensaestopas se apretarán nuevamente donde sea necesario. Examine la caldera para evitar fugas, y pruebe las válvulas de seguridad a mano, manteniendo las válvulas completamente abiertas durante un período suficiente para expulsar las posibles acumulaciones de suciedad o rebabas.

La presión de vapor debe ser al menos, un 75% de la de ajuste de las válvulas de seguridad

cuando éstas se abran manualmente. El régimen al cual se aumenta la presión debe mantenerse dentro de los límites que permitan evitar sobrecalentamientos en el sobrecalentador o prevenir ten-siones térmicas en los domos con paredes gruesas. En general, se recomienda que la temperatura del agua en la caldera se aumente a razón de 50 °C por hora. Finalmente, compruebe los movimientos por dilatación para comprobar que la sujeción y montaje son correctos.

8.2. Puesta en Servicio: Proceso de Encendido del Quemador; Cesión de Vapor; Purgas de Lodos; Espumas; Niveles; Válvulas de Seguridad y Manómetros

A la hora de operar el quemador se tendrá siempre en cuenta las instrucciones del fabricante respectivo. Es conveniente que el operador de los sistemas de control completamente automáticos estudie las funciones manuales de los mismos para aplicarlas en caso necesario. En general, es conveniente observar las siguientes reglas:

Establezca positivamente el tiro. Antes de encender inicialmente cualquier tipo de llama, tan pronto se dé la señal de puesta en marcha, deberá producirse un barrido o ventilación del espacio total del lado del fuego de la caldera, mediante una corriente de aire, con el fin de evacuar la totalidad de los gases combustibles que hayan podido quedar en el circuito de humos. El barrido se producirá con el dispositivo de reglaje de aire abierto en la posición de caudal máximo. El tiempo de barrido vendrá dado por el fabricante y estará calculado para introducir en la caldera un volumen de aire de, al menos, cuatro veces el volumen del circuito de humos para cualquier combustible que se utilice. En los quemadores automáticos, después del barrido entrará en funcionamiento el sistema de encendido, y una fuente de calor de pequeña potencia calorífica provocará el encendido del combustible principal.

Evite operar el equipo de combustión a regímenes excesivamente bajos (se pierde ignición y

la combustión es incompleta) o excesivamente altos (se puede dañar la caldera, se producen humos, etc.).

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Si se utilizan combustibles sólidos (carbón, lignito, madera y desperdicios en general), alimentados manual o mecánicamente en parrillas, ponga una capa ligera de combustible en las parrillas y encienda el fuego con brasas de un hogar adyacente o con madera. Durante el encendido, mantenga apagados los ventiladores y cerradas todas las compuertas, con excepción de las del tiro inducido (si se usa) que estarán parcialmente abiertas para prevenir un tiro excesivo mientras que el operador permanece en la caldera. No utilice sustancias excesivamente volátiles, ya que pueden producir mezclas explosivas.

Si se utiliza carbón pulverizado, compruebe que no hay obstrucciones en el flujo del aire y en

el conducto de alimentación de combustible al hogar. Revise la caja de quemadores y asegúrese de que todos los bloques protectores de los

tubos estén en su lugar. Compruebe que se establece el flujo de aire apropiado a través del hogar mediante el equipo mecánico del tiro. Estrangule los registros de los quemadores para prevenir fallos de llama y mejorar la estabilidad de encendido. Abra la alimentación de combustible y establezca el flujo o gasto mínimo; encienda el combustible y reduzca el gasto a un régimen de operación seguro. Si se utilizan precalentadores rotativos, opérelos para prevenir calentamientos desiguales. Si se utilizan ventiladores para cenizas, póngalos en marcha. Encienda cada quemador manualmente o con antorcha, o con el equipo especial de ignición si se dispone de éste.

Si utiliza combustibles líquidos, examine las boquillas y los filtros de los quemadores, ajuste

éstos y verifique los registros de aire y las válvulas de combustible. Cierre las válvulas de seccionamiento de cada quemador y compruebe que no presentan fugas. Pruebe los serpentines de vapor en el calentador y compruebe la ausencia de fugas. Vea que las bombas de alimentación de combustible se precalientan y están listas para funcionar, y que las válvulas de alivio están correctamente ajustadas. Abra las válvulas de paso y bombee el combustible, comprobando la circulación del mismo. Purgue el aire de las bombas para asegurar un flujo estable de combustible y, si las líneas de éste están equipadas con cámaras de aire, cárguelas con aire comprimido. Vuelva a comprobar la ausencia de fugas en todo el equipo. Luego compruebe el equipo de tiro y asegúrese de que el hogar está adecuadamente ventilado. Abra la válvula de alimentación de combustible y encienda el quemador. Si el encendido es manual, utilice una antorcha situándola cerca de la boquilla del quemador y por debajo de ésta. Si se le apaga la antorcha o no logra encender antes de cinco segundos, cierre la alimentación de combustible y ventile el hogar antes de intentar nuevamente el encendido. No intente nunca encender un quemador por medio de otro que opere cerca, ni acciones similares. Antes de encender algún quemador adicional, aumente el tiro. Una vez que el combustible arda, abra inmediatamente el registro de aire para evitar una combustión incompleta.

Si se utilizan combustibles gaseosos, antes del encendido revise el quemador y las válvulas

de seguridad, y purgue el aire de las conducciones de gas mediante barrido. Compruebe el tiro y asegúrese de que la ventilación es la adecuada. Encienda los quemadores estableciendo un régimen mínimo y utilizando el dispositivo correspondiente. Mantenga la relación combustible-aire prevista para que siempre se obtenga una combustión completa.

En el caso de quemadores para combustibles líquidos y gaseosos, nunca se estrangulará

ninguna válvula después del último manómetro. Si se han instalado dispositivos para control de fallos de llama (de tipo sonda, fotoeléctrico,

de electrodos, etc.) pruébelos con una antorcha antes.

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En el caso de calderas con hogares en sobrepresión, sigan las instrucciones del fabricante. Tanto por economía como por seguridad, mantenga uniforme el régimen de combustión. Si

se queman combustibles en suspensión (gas, carbón pulverizado, etc.) vigile constantemente el mantenimiento de la ignición

Después de un paro prolongado, para la puesta en servicio, se mantendrá un fuego bajo,

durante una hora aproximadamente, partiendo de la condición de frío. El período más crítico es cuando se calienta el agua hasta el punto de ebullición, ya que

entretanto la circulación es lenta e irregular; aunque aumenta considerablemente después de iniciarse la formación de vapor.

La presión de vapor se elevará durante el período indicado por su fabricante, ya que

depende del tipo y modelo de la caldera. Pero procure que la temperatura se mantenga uniforme en todas las partes a presión evite que los sobrecalentadores se calienten en exceso y no permita que se establezcan grandes diferencias de temperatura a través de las secciones metálicas de gran espesor.

Cesión de vapor

Cuando se eleve la presión desde la condición de frío abra ligeramente la válvula principal de

vapor para prevenir esfuerzos de expansión considerables. Manómetros

Verifique frecuentemente los manómetros de la caldera. Pruébelos antes de la puesta en

servicio y después de que la caldera haya estado fuera de servicio. Cuando escape una válvula de seguridad anote la lectura del manómetro y si ésta no coincide con la presión de disparo estipulada en la válvula compruebe el manómetro y la válvula. Las pruebas de los manómetros se efectuarán siempre que existan problemas de tratamiento químico, espuma o arrastres y otros problemas de agua de alimentación que puedan obstruir las conexiones entre el manómetro y la tubería.

Se considera que un manómetro de vapor esta probado tras comprobarlo con un manómetro patrón. Si se hace compensación por columna de agua anote el valor de ésta al verificarlo. Antes de probar un manómetro de vapor retire éste de su unión y limpie la tubería, válvula y sifón; luego móntelo de nuevo. No admita vapor directamente al manómetro y compruebe siempre que el sifón esté lleno de agua. Si el vapor penetra en el manómetro vuelva a probarlo. Es preferible purgar las tuberías de los manómetros cuando se efectúa la prueba hidrostática de la caldera. Mantenga los manómetros siempre bien iluminados y con sus superficies transparentes limpias. La cubierta de cristal ha de estar bien fija y si se rompe reemplácela lo antes posible. Niveles de agua

Mantenga limpias las conexiones y válvulas entre la caldera, columna de agua e indicadores de nivel; observe la rapidez con que se repone el nivel de agua en la columna e indicador y opere las válvulas hasta estar seguro del nivel de agua. Cuando se ponga en servicio la caldera púrguense las columnas de agua a diversos intervalos de presión para asegurarse de que se sustituye el agua a baja temperatura en las tuberías y columnas con agua caliente de la caldera y obtener una indicación precisa de nivel. Observe que no haya fugas en los indicadores de nivel ni en sus conexiones y mantenga bien iluminadas y limpias las superficies transparentes de los mismos.

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Los extremos de salida de los tubos de descarga de las columnas de agua, llaves de prueba, etc., deberán mantenerse abiertos y conectados a un punto seguro tal que el operador pueda oír y ver la purga. Válvula de seguridad

Mantenga todas las válvulas libres y en condiciones de trabajo. Siempre que la caldera entre en servicio pruebe las válvulas de seguridad a presión normal llevando la válvula a la posición de com-pletamente abierta y soltando entonces la palanca elevadora para permitir que la válvula regrese bruscamente a la posición de cierre como si su apertura hubiera sido automática. Las válvulas de seguridad no deben ser abiertas manualmente cuando la presión de vapor sea inferior al 75% de la presión normal de escape. Si una válvula de seguridad falla al operar a la presión estipulada no intente arreglarla golpeando en el cuerpo o alguna otra parte de la válvula. Si la válvula no funciona debe retirarse la caldera de servicio y limpiar o reparar, según corresponda, la válvula. Si en la caldera se tiene instalada una válvula adicional de seguridad en exceso sobre la capacidad requerida y su capacidad es igual a la de la válvula que falla, se puede seguir operando la caldera hasta que pueda ser retirada de servicio en condiciones normales. No trate de corregir las fugas apretando o bloqueando el resorte de las válvulas; limítese a intentar liberarla operando su palanca elevadora; si no consigue repararla sustitúyala en cuanto sea posible. Siempre que una válvula de seguridad opere, compruebe si la presión en el manómetro de la caldera está dentro de los valores permitidos. Si el manómetro está correcto ajuste la válvula de seguridad. Las válvulas de seguridad no deben abrirse para reducir las presiones de vapor en el caso de bajo nivel.

Nunca ajuste una válvula de seguridad por encima de la presión autorizada para calderas excepto si la caldera dispone de dos o más válvulas de seguridad. Para prevenir la acumulación de cuerpos extraños entre las espiras del resorte de la válvula de seguridad establezca un programa de limpieza adecuado para la misma. Mantenga abiertos los drenajes del cuerpo de la válvula y de la tubería de descarga.

Antes de encender la caldera pruebe el buen funcionamiento de las restantes válvulas: de paso,

de retención, de cierre, incluso cuando sean automáticas. Equipo de purga

Antes de poner la caldera en servicio compruebe que las válvulas de purga se encuentran en buenas condiciones de trabajo, así como también las conexiones entre las válvulas de purga y la caldera. Si la descarga de la línea de purga es visible obsérvela con objeto de detectar posibles fugas en la válvula de purga. Examine también la tubería para comprobar si existe la tolerancia adecuada para absorber la dilatación de la caldera. Abra y cierre las válvulas de purga lenta y cuidadosamente. Al cerrar una válvula de purga compruebe que el cierre sea correcto y que la válvula no tienga fuga. Observe el indicador de nivel de agua mientras efectúa la purga y no efectúe nunca la purga en más de una caldera al mismo tiempo. Si la caldera a vaciar está en línea con otras asegúrese de que las válvulas de purga abiertas pertenecen a la caldera que se trata de vaciar. Mientras purgue concéntrese exclusivamente en esta operación y no realice otras labores hasta no haber cerrado las válvulas de purga. La cantidad y frecuencia con que se efectúen las purgas depende del número de horas diarias que esté en servicio la caldera, del régimen de trabajo y de la calidad del agua de alimentación utilizada. En general siga atentamente las instrucciones del fabricante.

Las purgas continuas son preferibles en general a las intermitentes. Cuando la caldera está en servicio procure que si la purga es intermitente dicha purga tenga lugar cuando la generación de vapor sea más baja.

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Espumas Si como consecuencia de la concentración de sales en el agua de la caldera se presenta algún

problema no usual de espumas, reduzca el suministro de combustible y el de aire, abra la aireación del sobrecalentador y drenajes, cierre la salida de vapor lo suficiente para determinar el verdadero nivel de agua en el cristal. Verifique la concentración de sustancias químicas en el agua del interior de la caldera y en el agua de alimentación, para comprobar si está contaminada. Si no puede corregir la anomalía, reduzca la carga hasta que el nivel de agua sea relativamente estable o ponga la caldera fuera de servicio. Si el nivel de agua en el visor es suficientemente alto, purgue el agua de la caldera y repóngala con nueva agua de alimentación, varias veces. Si dispone de purga superficial, utilícela. Si la espuma continúa, reduzca el régimen de fuego y continúe alternando las purgas de alimentación. En caso necesario, ponga la caldera fuera de servicio e inspeccione los pasos de circulación internos, las pantallas deflectoras, etc., para ver si están correctos. Purgas de lodos

Compruebe el funcionamiento correcto de la válvula de interrupción instalada en cada tubería de purga intermitente, o de extracción de lodos. Si, a continuación de dicha válvula, va instalada otra de apertura rápida por palanca, pruebe también que ésta se encuentra en perfectas condiciones de funcionamiento. Asimismo, en caso de que la caldera disponga de una sola válvula mixta de cierre y descarga rápida (en sustitución de la válvula de drenaje y de la válvula de purga a presión), deberá comprobar que dicha válvula opera correctamente. Aproveche estas comprobaciones para asegurarse de que las válvulas de cierre de las tuberías de drenaje y del sistema de aireación, están en perfectas condiciones. Todos estos dispositivos estarán adecuadamente protegidos contra la posible acción de los fluidos calientes.

8.3. Puesta Fuera de Servicio

Baje la presión de la caldera, corte el suministro de combustible, queme el combustible remanente en el hogar, y entre éste y la válvula de seccionamiento del combustible, enfríe el recubrimiento de refractario y la caldera, tal como lo recomienda el fabricante.

Después de que la caldera ya no requiera más agua de alimentación, opere sobre las válvulas (de retención, de alimentación y de drenaje) en orden adecuado y seguro. Mientras la presión de la caldera sea ligeramente superior a la atmosférica, abra la válvula de aireación para evitar la formación de vacío y acumulaciones de condensados. Vaciado Deje enfriar el refractario. Cuando la temperatura del agua de la caldera sea apropiada (inferior a unos 90°C), vacíe ésta. Si la caldera que se va a vaciar está en batería con otras, asegúrese de que sólo abre las válvulas de purga correspondientes a la caldera en cuestión.

En cuanto la caldera esté vacía cierre y asegure las válvulas de purga, y abra los registros de hombre y, si es necesario, las tapas de otras aberturas. Limpieza

Espere a que se enfríen las acumulaciones de escoria u hollín. No inyecte agua por debajo de la superficie de un depósito grande de hollín: PUEDE PROVOCAR UNA EXPLOSIÓN. Queme desde el exterior toda la escoria suspendida o cenizas acumuladas antes de penetrar al hogar o a una tolva de cenizas.

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Si la caldera dispone de quemadores de fuel, retire todos los atomizadores previamente a la entrada de la caldera. Si los quemadores son de gas, precinte la conexión o retire una sección de la misma antes de penetrar en la caldera. Además, ventile la unidad para eliminar cualquier rastro de gases inflamables, y compruebe que las válvulas de purga, las válvulas principales y del agua de alimentación, y demás válvulas están cerradas y bloqueadas como si estuvieran fuera de servicio.

Si utiliza una extensión eléctrica para iluminar el interior de la caldera, el cordón de la extensión deberá estar aislado y diseñado para recibir daños mecánicos y mantenerse en buenas condiciones. Todo el equipo portátil eléctrico que se use estará conectado a tierra. Se recomienda utilizar lámparas portátiles, de bajo voltaje y alimentadas desde un transformador o desde un acumulador.

Antes de limpiar la caldera, examine sus condiciones en el interior para juzgar si se ha llevado a

cabo un tratamiento adecuado del agua de alimentación y del agua del interior de la caldera, con el fin de evitar incrustaciones y corrosiones.

Para el lavado interior utilice mangueras de agua con la presión suficiente. Desconecte la línea de purga y descargue el agua al drenaje. Lave los tubos de las calderas horizontales de retorno, desde ambas partes: superior e inferior. Si es necesario utilice herramientas de mano para retirar las incrustaciones.

Tenga cuidado de que el agua no entre en contacto con el refractario y con el aislamiento de la cámara de combustión; pero si no puede evitarlo, compruebe que dichas partes se han secado perfectamente antes de arrancar nuevamente la caldera. Si se efectúa algún lavado exterior, éste debe hacerse inmediatamente antes de volver a poner la caldera en servicio, para reducir al mínimo las posibles corrosiones. Es conveniente alcalinizar el agua de lavado para contrarrestar los ácidos contenidos en los residuos de ciertos combustibles con porcentaje de azufre.

Después de lavar la caldera, recorra su interior con una lampara y asegúrese de que la limpieza ha sido completa y de que no quedan herramientas dentro.

Otro procedimiento para limpiar la caldera consiste en introducir disueltos reactivos apropiados, tal como indicamos en el punto anterior. Después, aumente el régimen de fuego hasta alcanzar una presión igual a 1/3 de la normal de trabajo, con la aireación del sobrecalentador abierta. Purgue una cantidad equivalente a la mitad de la indicada en el visor del nivel, dividiendo la purga entre el domo de lodos y las paredes de agua sucesivamente; luego, llene de nuevo con agua limpia y caliente. Repita la operación hasta que el agua de la purga salga clara. Deje enfriar la caldera, drénela, y lávela por dentro con la manguera.

La energía para la operación de martillos mecánicos y limpiadores que se utilicen para retirar las incrustaciones y escorias de calderas humotubulares, deberá estar generada fuera de las calderas que se limpien. Si dichas herramientas están accionadas por aire, vapor o agua, se operarán a la mínima presión necesaria para efectuar el trabajo. Si están accionadas por agua caliente o vapor que escapan del tubo, asegúrese de no calentar éste excesivamente. Los martillos mecánicos o limpiadores no se operaran más que durante unos pocos segundos en cualquier punto necesario.

Si la caldera va a estar fuera de servicio durante un período largo, siga las instrucciones relativas a “Conservación en paro prolongado”, punto 8.8.

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8.4. Causas que Hacen Aumentar o Disminuir la Presión

Suponiendo que la caldera esté bien diseñada y reglamentariamente fabricada, así como que los diversos dispositivos, elementos y accesorios que incorpora funcionan perfectamente, los aumentos o disminuciones de presión que en la caldera se detectan, pueden deberse, en general, a alguna de las causas siguientes:

La existencia de fugas en válvulas, tubos, juntas, etc., provoca una disminución de la presión.

Otras causas que provocan variaciones de presión dependen del tipo de caldera de que se trate. Así:

En calderas de vapor de circulación forzada y calderas de recuperación de calor de gases, la

alta presión del fluido puede elevar la presión de la caldera. En calderas de agua sobrecalentada, sobrecalentadores, recalentadores y calderas de fluido térmico de circulación forzada, el bajo caudal o gasto del fluido provoca alteraciones de presión anormales.

Los fallos del aire de la combustión se traducen en presiones anómalas.

En las calderas que utilizan combustibles líquidos la baja presión del combustible influye

desfavorablemente sobre la presión de la caldera.

Además, existen, naturalmente, causas debidas a fallos mecánicos, tales como por ejemplo, un mal funcionamiento de las válvulas de seguridad o de alivio, etc.

En cualquier caso, el operador tratará de determinar cual es la causa del fallo de presión y subsanarla si le es posible. En caso contrario, deberá ponerse la caldera fuera de servicio hasta que la anomalía esté reparada.

8.5. Causas que Hacen Descender Bruscamente el Nivel y Medidas a Adoptar si el Agua Desaparece del Indicador de Nivel

La regla más importante para una operación segura es mantener constantemente el nivel correcto de agua en la caldera.

Aunque la caldera disponga de alarmas automáticas y de reguladores de agua de alimentación, no deje de comparar, a intervalos frecuentes, las lecturas por los diferentes métodos disponibles para determinar el nivel de agua. Si alguna de las lecturas resultara diferente de las otras, éstas se consideraran dudosas hasta que la causa de la diferencia sea localizada y corregida.

El primer cuidado, al hacerse cargo del turno de una sala de calderas, es asegurarse que las tuberías, accesorios y válvulas situados entre la caldera y los indicadores de nivel, se encuentran libres y abiertas.

Las fugas de vapor o de agua en la columna de agua o en sus conexiones, provocaran que la columna muestre un nivel falso.

Manténgase abiertos y libres de obstrucciones los extremos de las salidas de las tuberías de

drenaje de la columna de agua, cristal, indicador y válvula de purga; todos estos dispositivos permanecerán a la vista del operador de la caldera.

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Si las causas del descenso de nivel radican en las condiciones de operación, corríjanse inmediatamente antes de reanudar la operación normal. Si se tiene alguna duda, no debe variarse el suministro de agua de alimentación, no abra las válvulas de seguridad, no modifique la posición de las válvulas de salida de vapor ni haga ningún ajuste que provoque cambios súbitos en los esfuerzos a que se encuentra sometida la caldera. Si opera una caldera manual, no altere el fuego, excepto para cubrirlo con carbón fresco o cenizas húmedas. Interrumpa la alimentación de combustible, corte el suministro de aire, deje abierta la compuerta de la chimenea y abra las puertas del hogar. Una vez cubierto o apagado el fuego, cierre las válvulas de alimentación. Deje que se enfríe la caldera y luego cierre las puertas del hogar. Determine la causa de nivel bajo y corríjala antes de poner la caldera nuevamente en servicio.

Muy brevemente, puede decirse que cuando el indicador de nivel presenta un brusco descenso

del mismo se puede deber, o bien a que el agua de alimentación no llega con el caudal adecuado (por fallo en la bomba de alimentación, o fallos en las válvulas, o exceso de depósitos en las conexiones, etc.), o bien a que se ha estropeado el indicador de nivel (rotura, fugas, etc.). Salvo que considere necesario parar la caldera de inmediato, revise cuidadosamente toda la línea de alimentación, incluidos equipos de bombeo, dispositivos de paso e interrupción, accesorios, etc.

8.6. Comunicación o Incomunicación de una Caldera con Otras

Al ir a comunicar una caldera con otras calderas que formen una línea de vapor con un colector común, son necesarias ciertas precauciones para evitar que en la tubería de comunicación se produzcan golpes de ariete y gradientes de temperatura excesivos. El riesgo de golpe de ariete se elimina drenando y calentando adecuadamente dicha tubería. El uso correcto de las válvulas de derivación (by-pass) situadas alrededor del colector evitará los gradientes térmicos. Para realizar la comunicación, se abrirán los dispositivos de drenaje del colector del sobrecalentador; la línea de vapor desde la caldera hasta el colector común se calentará mediante una retroalimentación de vapor procedente de este colector, que se consigue operando las válvulas de derivación y de drenaje. Cuando en la tubería se ha alcanzado la temperatura y la presión de la línea de vapor, ya se puede abrir totalmente la válvula de entrada del colector y cerrar la válvula de derivación. El vástago de la válvula de interrupción se mantendrá en la posición correspondiente al 25 % aproximadamente de su apertura hasta que la caldera comience a suministrar vapor al colector, momento en el cual ya puede desplazarse dicho vástago para permitir la abertura total. En caso de no disponer de válvula de interrupción, se abrirá lentamente la válvula de cierre de la caldera cuando las presiones en ésta y en el colector sean aproximadamente iguales.

Si se tienen dos válvulas de cierre manuales, se igualarán las presiones, utilizando la válvula de drenaje o la de derivación a través de la válvula de cierre más próxima al colector principal, antes de proceder a su apertura lentamente. Cuando las presiones de la caldera y del colector principal de vapor sean iguales, se abrirá, lenta pero totalmente, la válvula de cierre más próxima a la caldera.

Si se está levantando presión de vapor en una caldera no conectada a un colector de vapor común, se recomienda elevar la presión de vapor en toda la línea de vapor al mismo tiempo, con todos los drenajes abiertos. Tras poner en línea una caldera equipada con válvulas de retención, con dos salidas independientes, observe la presión de vapor en la caldera para asegurarse de que ambas válvulas están abiertas. Si la válvula es mixta de «cierre y retención», opere su vástago cuando la presión de vapor en la caldera haya alcanzado la presión de trabajo, para comprobar si la válvula ha abierto o no correctamente.

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Cuando la caldera esté realmente produciendo vapor, cierre el drenaje del colector de salida del sobrecalentador y abra totalmente las válvulas de retención en la línea principal de vapor.

Si se tienen calderas de diferentes presiones máximas de trabajo conectadas a un mismo colector de vapor y que operan bajo las mismas presiones, no ajuste nunca una válvula de seguridad a una presión mayor que la permitida en la caldera más «débil». En este caso las calderas de más baja presión deben estar equipadas con válvulas de retención y añadir a las mismas o al colector de vapor otras válvulas de seguridad de capacidad suficiente, para manejar la capacidad las calderas de presión más alta.

Resumiendo, podemos decir lo siguiente:

1. En instalaciones de calderas intercomunicadas que pudieran operar a presiones de vapor diferentes, las calderas de menor presión dispondrán de válvulas de retención.

2. Los colectores de vapor de baja presión y sus ramales deben estar protegidos por válvulas

de seguridad cuya capacidad combinada sea equivalente a la cantidad total de vapor que pueda pasar del sistema de alta presión al de baja presión, tomando como base para el cálculo la presión de escape de las válvulas de seguridad en los dos sistemas.

3. Debe instalarse una derivación a toda válvula reductora habilitada para operarse

manualmente, y con medios para aislar la propia válvula. 4. Cuando el colector común a varias calderas tiene instaladas una o más válvulas de

seguridad, éstas estarán conectadas directamente a dicho colector sin ninguna válvula intermedia.

5. Siempre que se aumente la cantidad total de vapor que pueda pasar del sistema de mayor

presión al de baja presión, se aumentará adecuadamente la capacidad de alivio de las válvulas de este último.

Para la incomunicación de una caldera con las restantes, en general, basta con invertir las

secuencias del proceso descrito para su comunicación.

8.7. Mantenimiento de Calderas: Juntas, Engrases, etc.; Revisiones y Limpiezas Periódicas

Para el mantenimiento rutinario de las calderas, lo más recomendable es seguir al pie de la letra las instrucciones del fabricante al respecto. Además, es conveniente disponer de un cuaderno de instrucciones concernientes, entre otros puntos, a los trabajos de mantenimiento y frecuencia de los mismos. En dicho cuaderno figurarán los trabajos relativos a conservación de juntas, periodicidad de engrases, limpiezas, etc.

En los intervalos comprendidos entre las inspecciones anuales previstas, es conveniente que personal propio revise, periódicamente, el funcionamiento y condiciones en que se encuentra la caldera, informando de cualquier defecto serio, condiciones dudosas o sucesos anormales que detecte. Si se detecta algún defecto en las partes a presión que requiera reparación por procedimientos contemplados en el Código de Fabricación (soldadura, etc.), sería conveniente que se realice previamente una inspección autorizada para efectuar la reparación que, normalmente, debería realizar el propio fabricante de la caldera. Después de una reparación importante, se deberá realizar una prueba hidrostática.

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Entre las partes a revisar pueden incluirse las siguientes:

Alineación de la caldera, ausencia de asentamientos, desniveles o movimientos anormales evidenciados por desplazamiento del domo o de alguna de las partes a presión.

Corrosión en el exterior de domos y tubos.

Fugas en tuberías, válvulas, chimeneas o envolvente.

Válvulas de seguridad y sus conexiones.

Accesorios: indicadores de nivel, gritos y columnas de agua, controles, alarmas de bajo nivel o de disparo, purgas, válvulas de alimentación y de retención, etc. Pruébense a períodos regulares.

Sopladores de hollín: compruebe que no haya erosión en los tubos de la caldera donde descargan dichos sopladores.

Examen de la solera o de los elementos de suspensión o de soporte. Determine la ausencia de grietas, asentamientos, o cualquier tipo de condiciones defectuosas.

Conexiones de purga.

Ausencia de Fragilidad cáustica en juntas y uniones de tubos.

En calderas humotubulares, examinar los tubos y placas tubulares (corrosión, adelgazamiento de espesor, etc.)

En cuanto a la limpieza, hay que distinguir entre la interna y la externa. La interna se lleva a

cabo cuando se pone fuera de servicio la caldera. La externa consiste en tener las superficies de la caldera y de sus elementos auxiliares y accesorios, limpias de humedad, aceites y de cualquier tipo de suciedad o materias extrañas. Se seguirán las instrucciones del fabricante en cuanto a elementos para la limpieza y frecuencia.

Seguidamente se indica un plan de revisiones que de forma periódica debe realizar el personal encargado de la conducción de una caldera. Diariamente:

Purgar la caldera (cada cuatro horas).

Purgar botellones y niveles (cada cuatro horas).

Limpiar boquillas del quemador.

Purgar el manómetro. Semanalmente:

Hacer funcionar el segundo sistema de alimentación (si existe) a fin de evitar que se agarrote.

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Levantar manualmente las válvulas de seguridad.

Limpiar filtros de agua y combustibles líquidos y gaseosos.

Limpiar sistema encendido quemador.

Estas recomendaciones de servicio constituyen un resumen de lo que debe tenerse siempre presente para el funcionamiento y buena conservación de una caldera, no pretendiendo que ellas sean completas con respecto a las medidas de precaución, instrucciones y observaciones necesarias para el funcionamiento de una instalación, que el encargado de la operación de la caldera deberá recabar del fabricante de la misma, así como, de la experiencia y buena práctica del oficio.

Para un servicio eficaz y correcto del generador, éste debe estar bajo un control continuo y competente, debiendo tener siempre presente que:

Al efectuare un cambio de turno, el personal de servicio cesante no podrá abandonar la instalación hasta que el personal entrante no se haya hecho cargo de la caldera y su servicio y en la forma debida.

La caldera y el equipo de combustión están unidos entre sí por medio de un circuito de seguridad. En ningún momento y por ninguna causa se puede constituir un puente arbitrario o conexión que anule esta relación.

Todos los órganos y aparatos de control, regulación, seguridad y alarmas deben mantenerse continuamente en perfectas condiciones de trabajo.

8.8. Conservación en Paro Prolongado: Lado Fuego; Lado Agua. Conservación Húmeda y Seca.

Siempre que una caldera sea puesta fuera de servicio para cualquier propósito, debe limpiarse por dentro cuando vaya a ponerse nuevamente en servicio, o conservarse en estado seco o en húmedo. El material suelto en forma de tierra, basura, depósitos, etc., debe eliminarse mediante lava-dos u otros medios (mecánicos).

Los depósitos, incrustaciones y productos de corrosión que no sean expulsados fácilmente por simple lavado pueden eliminarse por limpieza química interna. El análisis químico de los materiales a eliminar facilita la toma de decisión sobre el programa de limpieza química y la composición de las soluciones a emplear.

Cuando se haya decidido poner fuera de servicio una caldera, se dejará que se enfríe. Después de vaciada y lavada, se llevará a cabo una inspección para determinar los trabajos de reparación necesarios y la limpieza química o mecánica a realizar. A continuación, se decidirá la forma de conservación, ya sea en estado seco o en estado húmedo. Conservación húmeda

Este procedimiento suele preferirse cuando las calderas van a estar fuera de servicio por un período corto, o cuando se considere probable que tenga que volver a ponerse en servicio repentina-mente. Este procedimiento no debe utilizarse para recalentadores ni tampoco para calderas instaladas en lugares expuestos a alcanzar temperaturas de congelación. El procedimiento consiste en lo siguiente:

116

Una vez vaciada y limpiada la caldera, se cierra y, dejando fluir el agua a través del sobrecalentador, se llena a tope con condensado o agua de alimentación, tratados químicamente con objeto de reducir a un mínimo las posibilidades de corrosión durante el período de conservación. A veces se han empleado concentraciones de sosa cáustica y sulfito sódico, en proporciones de, aproximadamente, 450 ppm de sosa y 200 ppm de sulfito. Una vez encerrada el agua (tratada) dentro de la caldera, se mantendrá a una presión algo mayor que la atmosférica durante todo el período de conservación. Conservación seca

Este procedimiento es más frecuente para calderas que van a estar fuera de servicio durante un período de tiempo más largo, o si están instaladas en lugares que pueden estar sometidos a temperaturas de congelación.

También es preferible, en general, para recalentadores. En esencia, consiste en lo siguiente:

Una vez limpiada la caldera, deberá secarse perfectamente, ya que cualquier humedad presente en la superficie metálica acabaría provocando la corrosión a la larga. Se tomarán precauciones para impedir la entrada de cualquier forma de humedad a través de las líneas (de alimentación, de vapor o de aire). Para este propósito, puede colocarse en el interior de domos y tambores, recipientes con materiales absorbentes de humedad, tales como cal viva o sílica gel, en proporciones adecuadas a la capacidad de volumen de la parte a proteger contra la humedad. Después se cierran los registros de hombre y se sellan perfectamente las conexiones de la caldera. Mediante inspecciones regulares (mensuales) del interior de la caldera se puede comprobar la efectividad de dichos materiales y la necesidad de renovarlos. En otros casos, se recurre a circular aire seco a través de la caldera.

En cuanto al resto de precauciones a adoptar, ya se ha comentado anteriormente: las partes expuestas al fuego y el material refractario han de limpiarse perfectamente. La parte del lado del agua (tubos, domos, etc.) pueden limpiarse después de examinar en qué condiciones se encuentran.

Se limpiarán de hollín las paredes, pantallas, tubos y domos. Apague los quemadores y cierre perfectamente las líneas de suministro de combustible. Si los quemadores son de aceite, desmonte los atomizadores.

Limpie los tubos y demás partes sometidas a presión de depósitos e incrustaciones, mediante lavado o por procedimientos mecánicos o químicos. Limpie las conducciones de vapor, de alimentación, de drenajes. Elimine las posibles señales de grasa, aceite, etc., en la parte de vapor del domo.

Limpie el interior de los tubos; en el caso de calderas humotubulares, compruebe que no hay ningún tipo de restricción en la circulación del agua entre los tubos.

Limpie y revise los tubos internos de agua de alimentación, así como los tubos y filtros secadores, si los hay. Repase todos los accesorios interiores. Si se usan tapones fusibles, limpie y pula su superficie contigua al tapón. Y sobre todo, siga las prescripciones correspondientes al modo de conservación elegido.

117

8.9. Revisión de Averías

En el normal desarrollo de su función, el operador de calderas se encontrará con que la caldera presenta una avería que impide su normal funcionamiento. La experiencia y la práctica consiguiente permitirá al operador local identificarla de una forma rápida y actuar sobre la causa de dicha avería, subsanándola en la mayoría de los casos.

Las averías más frecuentes radican en los diferentes puntos:

Circuito eléctrico.

Equipo de combustión.

Alimentación de agua.

Calidad de agua.

Si la avería ha llevado a que la caldera sobrepasara sus condiciones de trabajo: Presión elevada, bajo nivel de agua, deformaciones de algunas de sus partes a presión, calentamientos anormales, es recomendable dejar la caldera fuera de servicio, realizando una inspección a fondo, una vez la caldera fría, con el fin de calibrar los eventuales daños que hubiera podido ocurrir.

Presentamos seguidamente con el fin de sistematizar el modo de hallar una avería, las posibles causas que pueden producir algunas de las averías más frecuentes. En cualquier caso, debe tratarse con el fabricante de la caldera la entrega de una lista similar apropiada para la caldera en cuestión.

Si el quemador no arranca, comprobar:

1. Presostatos control de caldera, no establecen contacto. 2. Control de nivel de agua. 3. Dispositivo de seguridad (abierto). 4. No hay tensión eléctrica. Fusibles. 5. Control de combustión (detector de llama) no esta en posición de marcha o esta

averiada. 6. Circuito de control abierto, conexiones flojas, cables eléctricos rotos.

El quemador arranca pero se para debido a que el dispositivo de seguridad lo desconecta:

1. Fuel oil frío. 2. Ignición defectuosa. Electrodos sucios o chiclé obstruido. Cortocircuito en el cable de alta

tensión. Transformador no da corriente. Bomba de combustible defectuosa (quemadores rotativos).

3. Fallo de la sonda fotoeléctrica. 4. La válvula magnética de cierre no abre. 5. Contactos del interruptor de entrada o fusibles defectuosos. 6. Conexiones flojas. 7. Control de falta de agua desconectado. 8. Botón del dispositivo de seguridad en la caja de control abierto. 9. Presostato bloquea por exceso de presión o por avería. 10. Programador defectuoso.

118

Si el quemador no para:

1. Presostatos graduados altos. 2. Conexiones equivocadas o cortocircuitos a tierra. 3. Contactos de los controles de nivel defectuosos. Cortocircuitos en la caja controles.

Si el fuego se extingue mientras funciona el quemador:

1. No hay combustible en el depósito. 2. Filtro sucio. Chicle sucio. 3. Presión del combustible demasiado baja. 4. Agua emulsionada en el aceite que perjudica la regulación de las válvulas (decantar el

agua en los tanques y drenarla). 5. Presión de aceite variable o nula. 6. Polvo y partículas en suspensión en el aceite. 7. Válvula solenoide averiada o conexiones flojas. 8. Fotocélula defectuosa o sucia.

Si los fusibles se funden:

1. Fusibles que no están bien colocados o son pequeños. 2. Motor sobrecargado. Frenado o funciona al revés. 3. Cortocircuito. 4. Voltaje alto o demasiado bajo. 5. Térmicos no apropiados.

Combustión defectuosa:

1. Fuego pulsante o fluctuante. Mala regulación del quemador (aire y fuel). Fuel oil frío. Fuel

oil demasiado caliente. Pasos de humos llenos de hollín. Agua en el aceite.

2. Carbonización. Mala regulación del quemador. Fuel demasiado caliente. Boquilla descentrada o carbonizada.

Presión del aceite variable o nula:

1. Depósito vacío. 2. Filtros sucios. 3. Tubos de aspiración y retorno equivocados (sólo en nuevas instalaciones). 4. Válvula retención defectuosa o sucia. Tapa de filtro entre aire. 5. Prensaestopa de la bisagra no cierra bien (quemadores rotativos). 6. Muelle o asiento de la válvula de regulación de presión defectuoso. 7. Manómetro defectuoso. Pruébese con manómetro de ensayo. 8. Piñón del sinfín desliza por desgaste de la clavija del eje (quemadores rotativos). 9. Bomba demasiado seca (cébese con aceite de engrase o fuel oil echándolo por el filtro). 10. Aceite demasiado viscoso (calentarlo). 11. Aire en el tubo de retorno. 12. Bomba defectuosa. 13. Fugas en el tubo de aspiración. 14. Obstrucciones en el tubo de aspiración o retorno. 15. Tubería de aspiración demasiado estrecha. 16. Tubo de aireación del tanque obstruido o helado.

119

9. MÉTODO DE APRECIAR LA LLAMA Y AJUSTARLA

9.1. Observación de la llama

9.1.1. Método para observar la llama

El estado de la llama en una combustión varía según los siguientes factores. Tipos y variedad de combustibles Tipos y modelos de quemador Componentes del combustible Condiciones de combustión

Para que la llama sea buena debe satisfacer las siguientes condiciones. Estado de la combustión buena Forma de llama apropiada para el objeto del calentamiento.

Hay varios puntos clave que se aplican a la observación directa de las llamas. En especial, al

observar las llamas se recomienda fijarse en los siguientes fenómenos y juzgar las causas de anomalía, determinando así los puntos específicos del chequeo.

Puntos clave en que se deben fijar acerca del objeto de observación

a) Forma de la llama b) Característica de llama c) Ruido de combustión d) Color de la llama e) Característica de la llama en el borde del refractario del quemador

En la Figura 9-1 se señalan los puntos de chequeo (en resumen) para evaluar la llama.

Figura 9-1. Puntos de chequeo para apreciar las llamas

Llamas

Anomalía en la boquilla del quemador

Presión del vapor para atomización o presión de aire

Presión del combustible

Relación aire - Combustible

La llama está separada de la

punta del quemador

Se producen hollines alrededor

de la lllama

La llama está más alargada de lo

normalColor Rojizo

Observación

Estado

Punto de chequeo

120

9.1.2. Método para ajustar la llama

En el Cuadro 9-1 se señalan los métodos para tratar y ajustar la llama correspondiente a diferentes tipos del combustible y quemador.

Cuadro 9-1. Método para ajustar el quemador

Tip

os

de

com

bu

stib

le

Quemador Forma y color

de llama adecuada

Problema en la llama

Tipos de quemador

Especificación Estado de

llamas Medidas a tomarse

Com

bust

ible

s líq

uido

s

Pulverización por presión

La presión del combustible

líquido se fija a 15-20 kg/cm2G

Forma: Si la presión es alta y

el estado de pulverización es

bueno, las llamas quedan pequeñas en el ancho y poco

largas. Color: Rojizo

radiante

Las llamas quedan

alargadas.

Se producen hollines.

Chequear caída de la presión. El orificio de la pastilla quedó

ensanchado por desgaste.

Elevar relación aire –

combustible. Chequear el estado de

pulverización Pulverización

por alta presión del vapor o aire

El combustible se pulveriza por

la presión del vapor o del aire.

Forma: La llama es más corta

que la de pulverización por presión. Color: Aceite

pesado: Rojizo radiante.

Gasoil: Rojizo radiante o azul

Las llamas quedan

alargadas.

Se producen hollines.

Chequear la pastilla.

Caída de presión del

fluido de atomización.

Se tapa la pastilla (mezcla

mala). Elevar la

relación aire – combustible

121

Cuadro 9-1. Método para ajustar el quemador (Continuación)

Tip

os

de

com

bu

stib

le

Quemador Forma y color

de llama adecuada

Problema en la llama

Tipos de quemador

Especificación Estado de

llamas Medidas a tomarse

Com

bust

ible

s ga

seos

os

Mez

cla

a la

sal

ida

de la

boq

uilla

Tip

o di

fuso

r

El aire y el gas se arrojan en chorro por los

orificios paralelos y la difusión de los dos origina la combustión.

Las llamas son largas y rojizas.

Tip

o m

ezcl

ador

tu

rbul

ento

Mezclar forzosamente el

aire y el combustible inyectando el aire en forma tangencial al

quemador

Las llamas son cortas y de color

azul transparente.

Las llamas quedan rojizas y

opacas. Las llamas

están separadas de la de la boquilla.

Empeoramiento de la mezcla por falta del aire o

por defecto en la pieza de la

boquilla. Caída de la

presión del gas

Pre

mez

cla

Se mezcla anticipadamente de 10 a 20% de

la cantidad estequiométrica

de aire.

Idem Idem Caída de la presión del aire Funcionamiento defectuoso del dispositivo de ajuste a cero

122

9.2. Fallas en las operaciones de combustión del petróleo, sus causas y contramedidas correspondientes

Cuadro 9.2 Fallas en las operaciones de combustión del petróleo, sus causas y contramedidas (1)

Fallas Causas Contramedidas

Enc

endi

do im

posi

bilit

ado

Falta de combustible Confirmar el flujo del combustible al momento del encendido.

Agua y/o barros en la tubería. Viscosidad excesiva

Instalar como condición indispensable filtros. Abrir periódicamente las válvulas del drenaje de los tanques y tuberías.

La temperatura de ignición del combustible muy alta

Hay que proveer mayor llama en el piloto.

Taponamiento de la boquilla Limpiar y/o purgar suficientemente la pastilla. Confirmar el flujo del combustible al momento del encendido.

Falta de calentamiento del combustible

Calentar hasta que las partículas atomizadas del combustible se hagan muy finas. Elevar la presión de pulverización.

Falta de aire Confirmar la potencia del ventilador. Confirmar la apertura del registro.

Conducto de humos tapado Limpieza periódica del filtro de aire, conducto de humo y chimenea.

Volumen y presión excesivos del aire primario

Bajar la presión del aire primario.

La ll

ama

parp

adea

sin

est

abili

zars

e

Barros, agua u otros elementos heterogéneos en el combustible

Instalar como condición indispensable filtros. Abrir periódicamente las válvulas del drenaje de los tanques y tuberías.

Viscosidad excesiva Elevar la temperatura del calentamiento. Elevar la presión de pulverización.

Orificio del quemador ensanchado con exceso

Aprovechar el calor radiante aplicando tejas apropiadas para quemador.

Presión inestable del aire y del combustible

Mantener la presión estable aplicando válvula reductora de presión y/o válvula de retorno.

Falta de combustible en la bomba

Aumentar la capacidad de la bomba.

Presión y volumen excesivos del aire primario

Ajustar a la presión y caudal apropiado.

Aire en la cañería del combustibles

Instalar purga de aire en la cañería.

Calentamiento excesivo del combustible

Evitar generación de espumas del aire e instalar escape del aire en la tubería.

Inyección a chorro y combustión defectuosa

Viscosidad excesiva Elevar la temperatura del calentamiento. Elevar la presión del aire primario. Elevar la temperatura del precalentamiento.

Falta del precalentamiento del combustible

Elevar la temperatura del precalentamiento.

123

Cuadro 9-2. Fallas en las operaciones de combustión del petróleo y sus causas y contramedidas (2)


Inye

cció

n a

chor

ro y

co

mbu

stió

n de

fect

uosa

s

Exceso o falta de presión de inyección Bajar o subir la presión del combustible.

Falta de aire Abrir adecuadamente los registros de aire según la potencia del ventilador.

Falta de área de la boquilla Chequear el caudal del aire y la presión del ventilador en relación con el volumen de combustión.****

Con

sum

o ex

cesi

vo d

el

com

bust

ible

Caída del poder calorífico del combustible

Analizar el tipo y composición del combustible.

Agua, elementos heterogéneos o aire Instalar calentador del combustible, filtro, purga de aire, etc.

Orificio de la boquilla del quemador muy grande

Evitar toma excesiva del aire. ****

La temperatura a calentar el combustible es muy alta

Analizar la característica del combustible para determinar la temperatura de calentamiento.

Pet

arde

o

La temperatura de ignición muy baja Cambiar el quemador con otro adecuado así como también variar la especificación de la inyección del combustible

Agua y elementos heterogéneos Instalar filtro, drenaje, purga de aire, etc.

Presión del combustible excesiva Bajar la presión del combustible.

Falta de presión del aire primario

Orificio de escape cerrado Ajustar el ángulo del registro así como también la presión de ventilador.

Aire en la tubería del combustible Instalar purga de aire.

Acu

mul

ació

n de

hol

lines

en

la p

astil

la

Viscosidad excesiva Mejorar la atomización del combustible. Adecuar la temperatura del combustible.

Inyección a chorro defectuosa Utilizar adecuadamente el aire primario.

Presión del combustible excesiva Aplicar presión adecuada al mecanismo de pulverización.

Temperatura de calentamiento muy alta Ajustar el volumen del combustible y del vapor.

Inyección inestable del combustible

Mantener estable la presión utilizando válvula de retorno. Calentar el combustible de tal manera de obtener una viscosidad constante. Atender el mal funcionamiento de la bomba.

Falta de aire Aumentar el volumen del aire primario. Evitar flujo excesivo del aire secundario.

Derrame en la válvula del quemador después de extinguido el fuego

Soplar hacia afuera todo el aceite residual existente en el quemador.

124

Cuadro 9-2. Fallas en las operaciones de combustión del petróleo, sus causas y contramedidas (3)


Acu

mul

ació

n de

hol

lines

en

el o

rific

io

del

quem

ador

Cantidad excesiva del carbón en el combustible Aumentar presión y volumen del aire primario y si es posible aplicar ventilación forzosa.

Pulverización no uniforme Preocuparse del atasco y/o avería en la boquilla.

Instalación inadecuada de la boquilla del quemador.

Instalar la boquilla necesariamente en el centro del quemador.

Acu

mul

ació

n de

car

bón

en la

s pa

rede

s de

l hor

no

El combustible pulverizado da directamente contra la pared.

Cerrar el ángulo de arrojo del quemador o ampliar el ancho de la cámara de combustión.

Viscosidad excesiva Eleva la temperatura del calentamiento y aumenta la presión del aire primario.

Falta de viscosidad Bajar la velocidad de inyección.

Presión excesiva del aceite Desequilibrio entre la presión y volumen del aire primario y el volumen del combustible causa combustión incompleta.

Presión excesiva del aire primario A medida que aumenta la velocidad de inyección, se alarga la distancia del encendido.

La temperatura dentro del horno es baja. Evitar quemar súbitamente una gran cantidad del combustible.

El horno es pequeño y angosto en su ancho. Diseñar el horno de acuerdo con la capacidad de combustión y el ángulo de inyección del quemador.

Ata

sco

en

el o

rific

io

del

quem

ador

Lodos y elementos extraños Arreglar perfectamente colador y calentador.

Acumulación de carbón en el orificio Limpiar sin falta a su extinción. No exponer al calor radiante del interior del horno por largo tiempo.

Hol

lín d

e ca

rbón

Exceso de la cantidad de cenizas Realizar combustión a alta temperatura por aireación forzosa.

Combustión imperfecta Realizar pulverización completa y adecuada.

Sustancia pesada en el aceite Realizar combustión a alta temperatura introduciendo el aire secundario.

Falta de aire Aumentar el volumen del aire para obtener llamas cortas.

Exceso del volumen de la combustión Cuidar de la correlación entre el tamaño de cámara de combustión y la cantidad del aceite.

Falta de corriente del aire Aumentar la superficie del orificio del escape. Aumentar la fuerza de ventilación

Ata

sco

en e

l fil

tro

Lodos, ceras y otros elementos extraños. Exceso de viscosidad. Temperatura del aceite extremadamente baja

Instalar colador adecuado al carácter del aceite.

Ata

sco

en la

tu

berí

a Lodos, ceras, excesiva viscosidad de coagulación del aceite, trapos, piezas de madera, orines y otros elementos heterogéneos

Ensanchar los tubos. Reducir la resistencia. Mantener la temperatura. Instalar coladores.

125

Cuadro 9.2. Fallas en las operaciones de combustión del petróleo, sus causas y contramedidas (4)


Inhalación imposibilitada de la bomba

Baja temperatura del aceite, Viscosidad excesiva, Atoro en el colador, Lodos, Filtración en el tubo de inhalación, Deslices en la bomba, Temperatura excesivamente alta del aceite

Infiltración del agua

Separación del agua en el aceite, Condensación del agua en el aire, Filtración en la tubería de calentamiento, Avería del techo para tanques, Infiltración del agua pluvial por otras causas

Corrosión Componentes del gas, Azufre y sal en el aceite

Cambio del color de ladrillos

Azufre, Fierro, otras cenizas

Olor extraño Temperatura excesivamente alta de precalentamiento, Azufre, otros elementos extraños

9.3. Tipos de Quemadores y sus Características Principales

Los quemadores de fuel, de acuerdo con el sistema de atomización, se clasifican en los siguientes tipos:

Atomización por presión Atomización por fuerza centrífuga Atomización con fluido auxiliar Además, el quemador con fluido auxiliar se subdivide según la presión del medio de

atomización en: de alta presión de baja presión.

En el cuadro 9-3 se señalan rendimientos y característica principales de cada tipo.

126

Cuadro 9-1. Características de los quemadores

Tipos del quemado

r

Presión del aceite (MPa)

Medios para

pulverización

Capacidad (kg/h)

Características

Usos principales

Género del medio

Presión (MPa)

Presión mecánica

0,6 ~ 3,0 No existe

30 ~ 3000

Llamas con ángulo ancho. Regulación rango de operación pequeño.

Para calderas grandes

Copa Rotativa

0,13 ~ 0,15 Fuerza

centrífuga mecánica

0,103 ~0,104 5 ~ 1000

Llamas con ángulo bastante ancho.

Para calderas medianas y pequeñas

Fluido auxiliar alta presión

0,15 ~ 0,5 Vapor o

aire 0,4 ~ 2,1 2 ~ 2000

Llamas largas con ángulo angosto. Regulación rango de operación amplio

Para hornos de calentamiento continuo. Para hornos de calentamiento a alta temperatura como horno de cemento

Fluido auxiliar a baja presión

0,13 ~ 0,15 Aire 0,106 ~ 0,104

2 ~ 300

Llamas cortas con ángulo bastante angosto

Para hornos pequeños

Curso Operador 00

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