CALDERAS

INGENIERIA MECANICA

ALVAREZ CAMPOS DAVID CACERES VASQUEZ LUIS

INTEGRANTES:

Una caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica.

CALDERA

Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principales:

Cámara de agua. Cámara de vapor.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CALDERAS Y PRODUCCIÓN DE VAPOR

Principio de funcionamiento según James watt y Dionisio Papín.

Figura 3.1. La ilustración superior muestra la máquina de doble efecto donde Watt perfeccionó su invento.

Figura 3.2. Máquina de Papín, en que caldera, motor y condensador forman unasola unidad. El fuego calienta el agua y el vapor mueve el pistón.

BREVE HISTORIA DE LAS CALDERAS

Figura 3.4. En 1784, James Watt inventa la biela y el cigüeñal paratransformar el vaivén de un pistón en un movimiento circular con la capacidad de hacer girar una rueda, permitiendo así el movimiento.

En 1764, james watt, recibe la máquina de Newcomen para su reparación, para el verano de 1765 había hecho importantes modificaciones; hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador, que conectacon un tubo al cilindro al que es cerrado en ambos extremos.

Componentes principales.

Cuerpo.

El cuerpo de una caldera esta compuesto de un cilindro de chapa de acero, herméticamente cerrada con el objeto de almacenar agua y el vapor generado en el proceso como se muestra en la figura 4.2

El hogar es el espacio en donde se realiza la combustión. (Figura 4.3).

Hogar.

Chimenea.

Es el elemento que se encarga de dirigir los gases de la combustión como se muestra en la figura 4.4.

Accesorios de seguridad.Reducen los riesgos en la operación del equipo y dan confianza al operativo al realizar su trabajo algunos de estos accesos son:

Válvula de seguridad. Detector de flama o fotocelda.

Control de presión de seguridad o límite. Control auxiliar de bajo nivel de agua.

Accesorios de control.

Controles de presión y termostatos.

Solenoides o Electroválvulas.

Switches o contactores de baja presión.

Microswitch de seguridad.

Accesorios de operación.

Arrancadores. Bombas de agua. Quemador. Ventilador.

Accesorios de medición.

Manómetros. Termómetros.

Sistema de alimentación de agua.

Filtros de arena.

Suavizadores.

Intercambiador de calor

Desaereador.

Tanque acumulador.

Bomba.

Válvula de retención.

Los gases muy calientes procedentes de un quemador de carbón, se conducen a través de múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una chimenea de salida al exterior. Estos tubos se conocen como tubos de fuego.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA SIMPLE

Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y haciéndola hervir, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso

Una válvula de seguridad calibrada, impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera.

Como durante el trabajo, se utiliza el vapor, el nivel del agua dentro de la caldera se reduce, por tal motivo es necesario alimentar la caldera con agua fresca. El conducto de purga se utiliza para vaciar la caldera en caso de reparaciones y mantenimiento o en periodos de inactividad durante las heladas.

CLASIFICACION

ELEMENTOS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA.

Fuego: Debe existir un buen proceso de Combustión. Agua: Deben existir rigurosos controles de su calidad. Áreas de Intercambio de Calor: Los tubos y superficies de intercambio deben

estar en óptimas condiciones de limpieza.

TIPOS DE CALDERA

S

Calderas Pirotubulares

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En este tipo de caldera el humo caliente procedente del hogar circula por el interior de los tubos gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea.

El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos al agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada.

A través de este recorrido, el humo, ceden gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de esta agua y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta vaporización parcial del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y su visualización en el manómetro.

Las calderas piro tubulares pueden diseñarse con diferentes pasosde los tubos de humos por el recipiente con agua. El hogar se considera elprimer paso y cada conjunto de tubos en el mismo sentido un paso adicionalver figura 2.2. Las calderas piro tubulares suelen trabajar hasta unos 20 barespara producciones máximas 20 Tn/hr.

Caldera Tipo Locomóvil.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros.

De Retorno Horizontal.

Consisten de un casco cilíndrico con gruesas paredes terminales entre las cuales se encuentra soportado un gran número de tubos de 3" o 4“ de diámetro, aunque se pueden tener diámetros menores, esto da mayor superficie de transferencia y por ende mayor generación de vapor

De Horno Interno Llamada también tipo escocés, la combustión tiene lugar en unhorno cilíndrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera. Los tubos de humo están a lo largo del casco y envuelven al horno por loslados y su parte superior

Calderas acuotubularesLas calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del sigloXVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseños de hoy día. Una caldera acuatubular consta básicamente de tambores y de tubos.

Los tubos a través de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado están fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el tambor de una caldera piro tubular y pueden soportar mayores presiones.

Calderas acuotubulares

CARACTERÍSTICAS

La limpieza de estas calderas se lleva a cabo fácilmente porque las incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos accionados mecánicamente o por medio de aire.

La circulación del agua, en este tipo de caldera, alcana velocidades considerables con lo que se consigue una transmisión eficiente del calor y por consiguiente, se eleva la capacidad de producción de vapor.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Menor peso por unidad de potencia generada. Su coste es superior

Por tener pequeño volumen de agua en relación a su capacidad de evaporación, puede ser puesta en marcha rápidamente.

Deben ser alimentadas con agua de gran pureza, ya que las incrustaciones en el interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos.

Mayor seguridad para altas presiones. Debido al pequeño volumen de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de vapor, siendo necesario hacerlas funcionar a mayor presión de la requerida.

Mayor eficiencia.Son inexplosivas

Caldera Acuatubular De Cornwall.

Caldera Acuatubular Steinmuller.

Caldera Belleville

Calderas De Tubos Doblados.

Calderas de vaporización instantánea.

Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro.

Generador de vapor rápido.

El funcionamiento del generador de vapor rápido está basado en el principio de tubos de agua; el agua de alimentación se calienta y vaporiza en un solo circuito.

PROBLEMAS BÁSICOS PLANTEADOS EN EL INTERIOR DE LAS CALDERAS DE VAPOR

Los principales problemas que pueden aparecer en la utilización de las calderasde vapor vienen motivados por los siguientes procesos:

• Incrustaciones.• Corrosiones.• Arrastres.• Depósitos.

Las incrustaciones cristalinas y duras se forman directamente sobre la superficie de calefacción por cristalización de las sales en disolución saturadas presentes en el agua de la caldera. Están constituidas, esencialmente, por elementos cuya solubilidad decrece al aumentar la temperatura del agua y son, generalmente, carbonato cálcico, sulfato cálcico, hidróxido cálcico y magnésico, y ciertos silicatos de calcio, de magnesio y de aluminio, entre otros.

Foto 3.1. Ejemplo incrustaciones en caldera de vapor.

INCRUSTACIONES

CORROSIONES

Este proceso ocurre rápidamente en los equipos de transferencia de calor, como son las calderas de vapor, ya que, en presencia dealtas temperaturas, gases corrosivos y sólidos disueltos en el agua se estimulanlos procesos de corrosión.

De los diversos tipos de corrosión que pueden plantearse, se considerancomo fundamentales los siguientes:

• Corrosión general.• Corrosión por oxígeno o pitting.• Corrosión cáustica.• Corrosión por anhídrido carbónico.

Foto 3.3. Ejemplo de corrosión por pitting en tubos de humo. Foto 3.4. Ejemplo de corrosión cáustica en tubo hogar de caldera de vapor.

ARRASTRES

El arrastre de condensado en una caldera tiene relación con el suministro de vapor húmedo (con gotas de agua). El suministro de vapor húmedo puede tener relación con deficiencias mecánicas y químicas.

Foto 3.5. Efecto de los sólidos disueltos en el nivel de agua de la caldera de vapor.

DEPÓSITOS

El agua que contiene la caldera tiene sólidos en suspensión que provienen del agua de alimentación o de los aditivos y procesos de eliminación de las incrustaciones que se decantan en el fondo de la caldera en forma de lodos.

Al igual que ocurre con las incrustaciones, la conductividad térmica de estoscompuestos precipitados es muy baja, lo que puede llevar al fallo de metalpor sobrecalentamiento al no refrigerarse adecuadamente.

Cuando la concentración de sólidos en suspensión es excesiva, la precipitaciónde lodos puede llevar al fallo de lectura de algunos componentesde control de la caldera, como pueden ser las sondas de nivel o depresión.

SELECCIÓN DEL TIPO DE CALDERA

Los parámetros principales que se han de tener en cuenta a la hora de seleccionar el tipo de caldera son los siguientes:

Potencia útil (para las calderas de agua caliente, agua sobrecalentada yfluido térmico) según el requerimiento térmico de la instalación a la cualvan a alimentar. Producción de vapor (para las calderas de vapor) según el consumo devapor necesario en el proceso. Presión de trabajo en continuo (para todos los tipos) de acuerdo con lapresión necesaria en el consumidor más alejado del centro de producción. Temperatura de trabajo en continuo, según el requerimiento constantede la instalación.

Variables de Diseño

Las variables de diseño de las calderas de vapor son múltiples, debido a varios factores implicados en su selección, operación y servicios. Al escoger uno de estos equipos se deben considerar algunos requisitos básicos como son:

La capacidad de generación de vapor. La temperatura y presión de operación. Las condiciones por calidad del agua de alimentación. Los combustibles disponibles. La calidad del vapor a servir. La seguridad y confiabilidad de su operación. La periodicidad del mantenimiento. El tiempo de vida.

EFICIENCIA Optimizar el consumo de energía de una caldera, es incrementar la eficiencia.

La eficiencia se mejora haciendo ajustes sobre el sistema de combustión.Un apropiado ajuste del quemador no solamente mejora la eficiencia de la caldera, sino que reduce los costos de operación y mejora la confiabilidad del quemador y de la caldera.

El tipo de quemador El tipo de combustible El tipo de carga La temperatura ambiente Las variables climáticas Las prácticas generales de mantenimiento.

Factores que afectan la eficiencia de una caldera

Tipo de combustibleCalidad del combustible

Condiciones de combustión

MANTENIMIENTO EN CALDERAS INDUSTRIALES

RECOMENDACIONES PARA LA CONSERVACIÓN DE LACALDERA

El cuarto de máquinas deberá mantenerse siempre en buen estado de limpieza; solamente el personal autorizado se le deberá permitir operar, ajustar o reparar a la caldera y a sus equipos colaterales. Dentro del cuarto de la caldera no deberá existir ningún material que no sea necesario para la operación de la caldera o del sistema de calentamiento en general.

Poniendo atención en acontecimientos anormales como son ruidos, fugas o lecturas defectuosas en cada indicador ayudara al operador a prevenir el mal funcionamiento del equipo y podrá tomar las precauciones necesarias para corregir las fallas lo mas pronto posible.

La relación de combustión entre aire y combustible deberá ser checada regularmente para evitar perdida de eficiencia.

La inspección general principal deberá ser enfiladas hacia las partes en contacto con agua y hacia las partes en contacto con flama o gases de combustión.

IMPORTANCIA DE LOS MANTENIMIENTOS.

La importancia de realizar los mantenimientos tiene relación con dosfactores:

La confiabilidad en el suministro de vapor La operación con buenos niveles de eficiencia (bajos consumos de combustible).

MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE LA CALDERA PIRO TUBULAR.

Desarrollar un programa de mantenimiento permite que la calderafuncione con un mínimo de paradas en producción, minimiza costos de operación y permite un seguro funcionamiento.

El mantenimiento en calderas puede ser de tres tipos:

Correctivo para corregir. Preventivo para prevenir. Predictivo para predecir.

MANTENIMIENTO DIARIOEl mantenimiento diario tiene relación principalmente con el monitoreo de las condiciones de operación de la caldera y el funcionamiento de los sistemas de seguridad

Verificación condiciones de operación Verificación forma y color de la llama. Verificación de la operación de la detención del quemador por bajo nivel de agua. Verificación de la operación de las válvulas de seguridad de la caldera

MANTENIMIENTO SEMANAL.El servicio semanal tiene relación con trabajos de limpieza menores, lubricación y ajuste de la posición de ciertos componentes de los quemadores.

Limpieza de filtros (en el caso de combustión líquido). Lubricación piezas móviles.

MANTENIMIENTO MENSUAL. El servicio mensual tiene relación con la realización de trabajos de limpieza más profundos.

Revisión e inspección del quemador. Revisión de cuerpo (zonas recalentadas). Revisión de luces indicadoras y alarmas. Revisión por fugas, ruidos, vibraciones y condiciones inusuales.

MANTENIMIENTO SEMESTRAL.El mantenimiento semestral tiene relación con la realización de trabajos de limpieza más profundos y ajustes de instrumentos de control.

Chequeo de controles de presión de operación y limite. Chequeo de controles de seguridad y bloqueo. Calibración de manómetros.

MANTENIMIENTO ANUAL

El mantenimiento anual corresponde a los trabajos de limpieza más importantes, que deben ser realizados en una caldera; así como también la calibración del quemador.

Sugerencias cuando se va a realizar un mantenimiento general en una caldera pirotubular primero hay que realizar las siguientes actividades por seguridad del equipo y personal que va a laborar en dicho mantenimiento.

Desergenizar eléctricamente interruptor general de la caldera y poner tarjeta con leyenda de mantenimiento.

Cerrar válvulas de suministro de gas. Cerrar válvulas de suministro de agua a la caldera. Cerrar válvulas de salida de vapor a cabezal. Quitar aire a los actuadores de las válvulas neumática control de entrada agua

caliente a la caldera. Acordonar área donde se va a realizar mantenimiento. Antes de empezar a realizar el mantenimiento, realizar llenado de hoja de

seguridad para que personal de seguridad cheque físicamente el área donde se va a realizar el mantenimiento.

En las siguientes figuras se muestra las actividades del mantenimiento a lacaldera pirotubular.