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.
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 cm 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.
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).
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).
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.
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.
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 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%.
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.
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.
Caldera acuotubular.
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
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
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.
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 sobre calentador 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.
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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 vaporización de vapor.
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.
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 dos bares.
EFICIENCIA DE LAS CALDERAS
La eficiencia de las calderas está determinada por la siguiente ecuación:
EFICIENCIA = CALOR QUE SALE DEL VAPOR PRODUCIDO/CALOR SUMINISTRADO x 100
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.
NORMAS DE DISEÑO
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.
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 de acción inversa accionado por la presión de vapor.
Presostato de acción inversa.
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 conmutador 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. 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 conmutador 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 conmutador de la bomba debe abrirse justo antes de que el agua llegue al nivel más alto.
Control de alimentación de agua.
Por razones de seguridad suele utilizarse un segundo sistema de alarma y corte de gas. Este último no dispone del conmutador 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. 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 conmutador termoeléctrico de falla de llama. El conmutador puede ser accionado manualmente por medio de un botón de reset. Dispone de un termo cúpula que cuando es calentada por la llama; energiza un electroimán el cual mantiene cerrado el conmutador. Cuando la llama desaparece el conmutador se abre debido a que el electroimán se des energiza. 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.
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
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. Se coloca en la parte posterior de la caldera cerca al tope. Está protegida de interferencia por medio de un dispositivo de seguridad.
Manómetro: Consiste de un medidor de presión 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. 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.
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.
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
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
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%.
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:
Recalentador de aire: Trabaja con los restos de vapor que entra al condensador y le transfiere calor al aire tomado de la atmósfera antes de llevarlo a la caldera. Se consigue así eliminar parte de la humedad contenida en el aire al llevarlo de 90 °F a 120 °F.
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: piro tubulares, cuando los humos calientes circulan por tubos y el agua se encuentra alrededor de estos y aqua tubulares, cuando el agua circula por tubos y los humos calientes están alrededor de estos.
Las calderas piro tubulares 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 piro tubulares. 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 óptimo 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.
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