Investigación sobre Calderas: Partes, Funcionamiento y Como se Enciende un Caldero

Nombre: Denis Fabricio Viera Rey

Email: dviera@espol.edu.ec

Carrera: Ingeniería Química

Fecha entrega: 13/06/2012

El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en el calentamiento de procesos, en la generación de potencia y en la calefacción de espacios. El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio, inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control; cuando se condensa, da un calor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; puede usarse para generar potencia y proporcionar calefacción. El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vapor húmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado. En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas más representativas en el medio industrial entre las que se encuentran las pirotubulares y las acuotubulares. También se describen los principales sistemas de control que deben tener los generadores de vapor.

1 CALDERA

Una caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce vapor a una presión mayor que la atmosférica. A la máquina le entra una energía (aire–combustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentemente agua) efectuándose el proceso de evaporación, cuyo mecanismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera. Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principales

CÁMARA DE AGUA:

Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

CÁMARA DE VAPOR:

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

3 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Por la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, como calderas de tubos de humo (pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).

3.1 CALDERAS PIROTUBULARES

En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 1. Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño, mayor flexibilidad de operación, menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, son pequeñas y eficientes. Desventajas: Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento, no se deben usar para altas presiones.

Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)Las calderas pirotubulares o de depósito como también se llaman, generalmente son de forma cilíndrica y tienen una cámara de combustión con una relación mínima entre la longitud y el diámetro de 3:1 (SAXON, 2006). Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y comerciales. (KOHAN, 2000) Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples pasos.

3.1.1 Calderas pirotubulares de un paso. Estas calderas tienen un conjunto de tubos de humo que las atraviesan desde el principio hasta el final, con los quemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser colocados en la cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadores van montados dentro de cada tubo y normalmente en las calderas horizontales el tiro es forzado y en las verticales el tiro es natural. Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen una producción de vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las calderas verticales son comúnmente usadas para tintorería y en la fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006).

Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de (SAXON, 2006)

3.1.2 Calderas pirotubulares de múltiples pasos. Esta caldera usualmente tiene una sola cámara para la combustión principal, con un conjunto de tubos por donde 5 pasan los gases calientes, tanto por el frente como por la parte de atrás de esta. Uno de los primeros diseños fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3; esta fue originalmente diseñada para quemadores con carbón, pero luego fue convertida a gas natural. El rendimiento térmico de este tipo de caldera generalmente es cerca de 73–77%.

Figura 3. Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006)

La caldera moderna de cámara empaquetada generalmente es de tres pasos en la caldera húmeda, figura 4, sino hay problemas de fugas de aire podría funcionar con eficiencias térmicas de 78–83%. El combustible puede ser petróleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta 31800 kg/h con presiones de hasta 18 bares. Las Calderas de más de 16820 kg/h de salida generalmente tienen dos tubos de combustión (SAXON, 2006).

Figura 4. Caldera de tres pasos. Adaptado de (SAXON, 2006)

3.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 5. Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más. Desventajas: Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua de gran pureza.

Figura 5. Caldera acuotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la generación de energía en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor de los bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de forma

rectangular y los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cámara principal de combustión. Los productos son por lo general por

encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las calderas trabajan con carbón pulverizado o petróleo. Algunas han sido convertidas a gas, también pueden

trabajar con dos quemadores de combustible.

3.3 CALDERAS DE TIPO SERPENTÍN Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto de serpentines. La llama del quemador va por el interior y centro del serpentín, los

productos pasan alrededor de las capas externas de los serpentines, figura 6. Estas calderas se denominan a veces generadores de vapor o vaporizadores de vapor.

Figura 6. Caldera de serpentín. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas cantidades de vapor rápidamente, en menos de 5 minutos. Se debe tener cuidado con el tratamiento de las aguas, por lo general es a base de sodio en combinación con aditivos químicos es todo lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas de alimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta aproximadamente 9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de gas o de petróleo.

3.4 OTRAS CALDERAS Además de las calderas descritas, también existen las calderas de gas que se utilizan para proporcionar vapor húmedo para panadería, hornos de pastelería. Estas calderas son pequeñas y las presiones de trabajo son del orden de los 2 bares, figura 7. (SAXON, 2006).

Figura 7. Caldera de vapor pequeña. Adaptado de (SAXON, 2006)

4. EFICIENCIA DE LAS CALDERAS La eficiencia de las calderas está determinada por la siguiente ecuación: En la tabla 1 se hace un comparativo de las eficiencias más representativas de acuerdo al tipo de caldera, la capacidad y el combustible usado.

Tabla1. Eficiencia típica de calderas según PCS. Adaptado de (CONAE, 2007)

5. ANALISIS DE FALLAS EN LAS CALDERAS En las calderas es muy importante la detección de fallas, porque eso permite evitar y prevenir accidentes por causa de éstas. El análisis de fallas permite detectar a tiempo problemas en las calderas, tales como: defectos de diseño, fabricación o ensamble de piezas; errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio de los equipos; malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante la operación; por último ayuda a la selección y establecimiento de métodos no destructivos como procedimientos de inspección de las diferentes partes de la caldera. A continuación se mencionan las causas más comunes de fallas en las calderas, así como los daños más frecuentes.

Tabla 2. Causas de fallas en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)

CAUSAS PIROTUBULARES (% ) ACUATUBULARES (% )Corrosión interna en los tubos 1.0 6.5Corrosión externa en los tubos 3.0 3.5Limpieza inadecuada 5.1 7.0Materiales defectuosos 0.4 1.8Fabricación defectuosa 0.6 4.5Falta de normas de mantenimiento

21.0 23.0

Fallas en la ejecución de mantenimiento

28.0 30.0

Mala graduación del encendido 2.0 4.0Mal control del nivel de agua 7.0 12.0Inadecuado tratamiento de 26.5 7.0

aguaExpansiones y contracciones 0.4 0.6Fallas en obras civiles 5.0 0.1

Tabla 3. Daños más frecuentes en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)

CAUSAS PIROTUBULARES (% ) ACUATUBULARES (% )Refractarios del hogar 6.2 0.3Refractarios del quemador 12.3 9.0Refractarios del cuerpo 3.0 6.0Cuerpo de la caldera 4.0 1.6Tubería de fuego 66.4 -------Tubería de agua ------- 22.0Pared tubos de agua ------- 6.0Domo superior ------- 0.5Domo inferior ------- 5.0Sobrecalentador ------- 14.7Tiro inducido tiro forzado 1.5/--- 12.0/16.0Chimenea 0.2 5.0Otros 6.4 1.9

6. NORMAS DE DISEÑO La American Society of the Metal and Electricity (ASME) comenzó a crear códigos para utilizar en el diseño y control de los recipientes que trabajan a presión. La ASME VIII Div. 1, es la parte encargada de diseño, tiene distintas partes que comprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas, conexiones, etc. Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivel mundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter) y la IVA española UNE 9-300. Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equipos este certificada en cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante usa alguna de estas normas para la fabricación y montaje. (COMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A, 2002). 7. CONTROLES

Los controles buscan garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones y requerimientos especificados. En las calderas pequeñas; igual que en las calderas grandes se disponen de sistemas y aparatos que permiten controlar la presión de vapor, el nivel del agua, flujo de vapor, la presencia de llama, el flujo de combustible, y el flujo de aire. En la Figura 8 se muestran los principales lazos de control de una caldera.

Figura 8. Sistemas de control de una caldera. Adaptado de (SAXON, 2006)

Válvula principal de control de gas: permite aislar los dispositivos de control de gas para facilitar las rutinas de reparación y mantenimiento. Gobernador de presión de gas: Para garantizar una presión constante del gas de entrada. Presostato: Es un suiche de acción inversa accionado por la presión de vapor. Ver Figura 9.

Figura 9. Presostato de acción inversa. Adaptado de (SAXON, 2006) El principio de funcionamiento del presostato se basa en el balance de fuerzas entre la ocasionada por la presión de un fluido y la fuerza ejercida por un fuelle y un sistema de resortes. Cuando la presión de vapor alcanza el valor ajustado; la válvula del presostato cierra el paso de gas dejando pasar solo una pequeña cantidad suficiente para mantener la llama. De igual forma; cuando la presión de vapor cae; entonces se da nuevamente paso al flujo de gas por medio de la válvula del presostato. Corte por bajo nivel de agua y alarma: El nivel de agua es controlado automáticamente por medio de un flotador el cual tiene también control sobre una válvula de gas. El suiche de mercurio acoplado al flotador puede accionar una bomba de agua, activar una alarma sonora y abrir o cerrar una válvula de gas. La alimentación de agua a la caldera también puede hacerse en forma manual o por medio de un inyector. En la figura 10 se muestra un tipo de control por flotador. En esta se observa como una combinación de fuerzas entre el brazo del flotador y un fuelle permite controlar el motor de la bomba y también operar la válvula de gas por medio del presostato. El suiche de mercurio se inclina y acciona un contacto antes de que el agua llegue a su nivel más bajo y así acciona una alarma. Por otro lado el suiche de la bomba debe abrirse justo antes de que el agua llegue al nivel más alto.

Figura 10. Control de alimentación de agua. Adaptado de (SAXON, 2006) Por razones de seguridad suele utilizarse un segundo sistema de alarma y corte de gas. Este último no dispone del suiche de mercurio de alta. Para el control de nivel de agua también se puede emplear un sistema de electrodos que cierran un circuito por medio del agua. Un sistema de un solo electrodo es mostrado en la figura 11. Si el nivel de agua; cae por debajo del electrodo; el circuito se abre y la válvula solenoide se cierra para así activar una alarma. Dispositivo de protección de llama: Consiste de un suiche termoeléctrico de falla de llama que se muestra en la figura 11. El suiche puede ser accionado manualmente por medio de un botón de reset. Dispone de una termocupla que cuando es calentada por la llama; energiza un electroimán el cual mantiene cerrado el suiche. Cuando la llama desaparece el suiche se abre debido a que el electroimán se desenergiza. Como este dispositivo esta en serie con la válvula solenoide, esta impide el paso de gas. Válvula de corte por baja presión: En calderas que no disponen de un control eléctrico se suele utilizar una válvula de corte por baja presión justo antes de la válvula principal de gas. El corte puede realizarse por una línea que puede ser operada por el control de nivel bajo de agua.

Figura 11. Controles eléctricos con electrodo. Adaptado de (SAXON, 2006) Válvula reductora del quemador con enclavamiento: En calderas con ignición manual es necesario impedir que pase el gas si este no va a ser quemado. Esto puede lograrse colocando una válvula piloto de enclavamiento y una válvula principal de gas. Así la válvula piloto debe ser activada antes que la válvula principal. También se puede usar una válvula de palanca giratoria del quemador con una válvula reductora, ver figura 12.

Figura 12. Válvula reductora del quemador con enclavamiento. Adaptado de (SAXON, 2006)

Válvula principal de vapor: Es una válvula de paso colocada directamente cerca a la parte superior de la caldera. Válvula de seguridad: Válvula cerrada cargada con un resorte, figura 13. Se coloca en la parte posterior de la caldera cerca al tope. Está protegida de interferencia por medio de un dispositivo de seguridad.

Figura 13. Válvula de seguridad cargada con resorte. Adaptado de (SAXON, 2006) Manómetro: Consiste de un medidor de presión tipo Bourdon acompañado de un sifón y una válvula. Medidor de agua: Se trata de un tubo de vidrio sostenido entre la base y la cima de la caldera por prensaestopas, figura 14. Dispone de válvula de vapor, válvula de agua y una válvula de drenaje. Inyector: Es un dispositivo que alimenta el agua hacia la caldera por medio de la succión creada cuando el vapor pasa a través de una boquilla. El sistema se pone en operación abriendo la válvula cheque de alimentación, la válvula de succión y luego la válvula del inyector de vapor en forma rápida y completa. Luego de que el inyector se coloca en funcionamiento este puede ser controlado solamente por la válvula de vapor, ver figura 15.

Figura 14. Medidor de nivel de agua. Adaptado de (SAXON, 2006)

Figura 15. Inyector. Adaptado de (SAXON, 2006) También se puede utilizar una motobomba como “stand-by”. Control automático de alimentación: Este puede formar parte del control de bajo nivel del que se ha hablado. Bomba de alimentación: Puede ser operada manualmente o por medio de un control eléctrico tal como se muestra en la figura 16. En este último caso el control de nivel de agua se debe ajustar para mantener el nivel en la mitad del medidor de vidrio.

Figura 16. Suministro de agua de la caldera. Adaptado de (SAXON, 2006) 8. INSTALACIÓN

Se debe consultar el manual de instalación de la caldera antes de hacer algún trabajo. La caldera debe ser montada en un espacio nivelado y firme. Se debe dejar un espacio adecuado para la manipulación cómoda de todos los equipos auxiliares. La chimenea debe estar fijada con un diversor de tiro. El diversor de tiro facilita la circulación de gases dentro de la cámara de combustión al establecer un equilibrio de fuerzas entre los humos calientes y el aire, facilitando así la circulación de los humos y evitando contrapresiones ocasionadas por corrientes de viento contrarias al flujo de los gases (Ministery of Economic Development of New Zealand, 2007) 9. INSPECCIONES

Periódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema de drenaje, presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo de gas, pérdidas de corrientes de aire en la chimenea, operación del control de llama y válvula de corte por baja presión. Además se debe realizar un mantenimiento rutinario que incluya la presión de trabajo de la caldera y el sistema que mantiene el nivel del agua. La válvula de seguridad también debe ser chequeada frecuentemente para asegurar que la válvula pueda operar libremente y no está atascada. 10. QUEMADORES Y SUMINISTRO DE AIRE DE COMBUSTION

Los quemadores se seleccionan según el rango de presión de operación, tipo de combustible, eficiencia. Además se deben tener en cuenta las normas de construcción.

Entre los principales tipos de quemadores encontramos: quemadores sin mezcla previa o llama de difusión, quemadores de combustóleo, quemadores a presión tipo JET, quemadores de copa rotativa, quemadores para gas (baja y alta presión) y quemadores tipo dual. Los quemadores deben funcionar con un exceso de aire que depende del combustible empleado. Para el carbón se debe emplear un exceso de aire que oscila entre el 20% y el 40%, los derivados del petróleo entre un 15% y 25% y el gas entre el 5% y el 15%. 11. PANORAMA DE LOS GENERADORES DE VAPOR EN EL MEDIO LOCAL

Uno de los aspectos que más impacta en la utilización de las calderas en el Valle del Aburrá, es el combustible que emplean. Antes del año 2001 el crudo de castilla y el carbón tenían gran participación en la canasta energética. Con la masificación del gas natural y las regulaciones ambientales; el crudo de castilla fue gradualmente desplazado. No obstante; aún se utiliza el carbón por su bajo costo, a pesar del impacto ambiental que implica su uso y los mayores costos asociados a su utilización. Otros combustibles que se pueden utilizar en las calderas son el ACPM, Fuel Oíl, Diesel GLP y biomasa principalmente. Otro aspecto que no se tiene mucho en cuenta en las calderas del medio, es la realización de análisis de los gases de combustión dentro de las tareas de mantenimiento preventivo y normas establecidas (Presidencia de la república 1989), lo que no permite conocer a ciencia cierta la eficiencia real de la caldera, lo que implica en muchos casos el desperdicio de la energía generada por estas y el impacto negativo al medio ambiente. El uso de las calderas pirotubulares para la generación de vapor en los diferentes sectores de la industria y de la salud es cada vez mayor, es el caso de los hospitales del medio, como el Hospital Pablo Tobón Uribe que utiliza el vapor en la lavandería para planchar y desinfectar los tendidos de las camas, las piyamas y las blusas de los médicos, en la cocina para la preparación de los alimentos y en las autoclaves para la desinfección de instrumental quirúrgico y otra clase de ropa. La eficiencia de la caldera debe ser determinada frecuentemente. Esta se ve afectada por factores como: diseño de la caldera, pérdidas internas, transferencia de calor a través de las paredes de la caldera, pérdidas de calor en los gases de escape y en las cenizas, equipos auxiliares recuperadores de calor, controlabilidad de las condiciones variables y tipo y características del combustible utilizado (PALACIO,1990). La eficiencia también se ve afectada por factores de altitud (Casas, 2004). 12. USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA

Tal como ocurre en el resto de máquinas térmicas; también se puede adelantar programas de gestión energética en las calderas de vapor. Las principales acciones están encaminadas al aprovechamiento máximo del calor transferido por el proceso de combustión. En este aspecto toma importancia la recuperación de calor sensible de los productos de combustión, para lo cual se dispone de los siguientes equipos auxiliares de recuperación de calor: Precalentador de aire: Trabaja con los restos de vapor que entra al condensador y le transfiere calor al aire tomado de la atsmofera antes de llevarlo a la caldera. Se consigue así eliminar parte de la humedad contenida en el aire al llevarlo de de 90 °F a 120 °F.

Paredes de agua: aprovecha la radiación de los gases de la caldera y la convección con las paredes. Sobrecalentador: Consiste en el aumento de la temperatura del vapor por medio de la llama directa.Economizador: consiste en un intercambiador de calor que actúa como precalentador de agua de alimentación por medio de los productos de la combustión. Calentador de aire: calentamiento del aire de combustión por medio de los productos de la combustión. 13. CONCLUSIONES

El vapor es muy usado en el sector industrial, comercial y de salud, especialmente para el calentamiento de procesos, en la generación de potencia, generación de energía, en la calefacción de espacios y para la esterilización de instrumental quirúrgico. Las calderas se clasifican principalmente en dos clases: pirotubulares, cuando los humos calientes circulan por tubos y el agua se encuentra alrededor de estos y acuotubulares, cuando el agua circula por tubos y los humos calientes están alrededor de estos. Las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y comerciales. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0-300 PSIG) Las calderas acuotubulares son utilizadas para la generación de energía en la industria, son de mayor tamaño, peso y costo que las pirotubulares. Manejan altas presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG). Las calderas tanto pequeñas como grandes deben poseer sistemas y aparatos que permiten controlar la presión de vapor, el nivel del agua, la presencia de llama, el flujo de combustible, y el flujo de aire, para así garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones de seguridad y requerimientos especificados. Periódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema de drenaje, presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo de gas, pérdidas de corrientes de aire en la chimenea, operación del control de llama y válvula de corte por baja presión; además para garantizar el funcionamiento optimo de la caldera y evitar explosiones y daños por falta de agua y sobrepresiones en el sistema, se debe realizar un mantenimiento rutinario que incluya la presión de trabajo de la caldera y el sistema que mantiene el nivel del agua.

14. BIBLIOGRAFIA

COMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A. (2002). Calderas. Medellín: Compañía Suramericana de Seguros s.a. 13. MINISTERY OF ECONOMIC DEVELOPMENT, NEW ZEALAND. (agosto 20 de 2002). of the industry publications, Natural Draught Flueing Guide. http://www.energysafety.govt.nz).