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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DESCRIPCIN GENERAL DE LAS CALDERAS
INDUSTRIALES
MONOGRAFIA
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA:
EXPERIENCIA RECEPCIONAL
CORRESPONDIENTE A LA CARRERA:
INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
PRESENTA:
GILBERTO LPEZ SANTIAGO
ASESOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
ING. CIRO CASTILLO PEREZ
COATZACOALCOS, VER.
2014
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DEDICATORIAS Y AGRADECIMIENTOS
A Dios:
Por ser mi principal gua, por brindarme la fe, la salud, la
fuerza y la esperanza para
salir adelante y lograr alcanzar esta meta. Gracias mi seor
A mi esposa:
La Sra. Teresa Lpez Hernndez, por su gran ayuda, amor y
comprensin, que me
motivo para llegar a la meta y as obtener este gran logro. Te
amo princesa.
A mis hijas:
Que son mis grandes tesoros con las que dios me bendijo y dndome
la dicha de ser
pap ellas que fueron un impulso para obtener este gran logro.
Las amo mis amores
que dios me las cuide y proteja siempre.
A mis padres:
A quienes amo y admiro mucho, por creer en m y sobre todo porque
gracias a su gran
esfuerzo y sacrificio he logrado culminar esta carrera
profesional. Pap y Mam Les
agradezco por el apoyo incondicional que me brindaron, por su
amor, cario y les doy
gracias porque siempre me impulsaron a seguir adelante aun en
aquellos momentos
ms difciles demostrando esa gran calidad de seres humanos que
son, los quiero
mucho papas, dios los bendiga siempre.
A mis hermanos:
Con mucho cario a mis hermanos, Beatriz, Gustavo y Cecilia por
brindarme sus
apoyos en los momentos que los necesite. Los quiero mucho.
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ndice general Introduccin
......................................................................................................................
I
Justificacin II Objetivos II 1 Descripcin general de las
calderas industriales
...................................................... 1
1.1 Antecedentes
.....................................................................................................
1
1.2 Marco terico
......................................................................................................
4
1.3 Definicin:
...........................................................................................................
6
1.4 Clasificacin de las calderas:
.............................................................................
6
1.4.1 Caldera tipo locomvil.
.................................................................................
7
1.4.2 Calderas acuotubulares
...............................................................................
7
1.4.3 Calderas pirotubulares.
................................................................................
9
1.5 Clasificacin de las calderas pirotubulares
....................................................... 10
1.5.1 Calderas horizontales:
...............................................................................
10
El haz tubular est dispuesto de la parte delantera a la trasera
de la caldera. ....... 10
1.5.2 Calderas verticales:
...................................................................................
10
El haz tubular est dispuesto de la parte inferior a la parte
superior de la caldera. 10
1.5.3 Caldera pirotubulares de un solo paso.
..................................................... 11
1.5.4 Calderas de dos (2) pasos de gases.
....................................................... 12
1.5.5 Calderas de tres (3) pasos de gases.
........................................................ 13
1.6 Clasificacin de las calderas por su tecnologa.
............................................... 15
1.6.1 Calderas de agua caliente.
........................................................................
15
1.6.2 Calderas de agua sobrecalentada.
............................................................ 15
1.6.3 Calderas de fluido trmico.
........................................................................
15
1.6.4 Calderas de vapor.
.....................................................................................
16
2 Seleccin del tipo de caldera.
................................................................................
17
2.1 Requisitos
.........................................................................................................
17
2.2 Componentes fundamentales de las calderas pirotubulares
............................ 19
2.3 Partes principales que componen una caldera.
................................................ 21
2.3.1 Hogar o fogn:
...........................................................................................
21
2.3.2 Puerta
Hogar:.............................................................................................
22
2.3.3 Emparrillado:
..............................................................................................
22
2.3.4 Cenicero:
...................................................................................................
23
2.3.5 Puerta del cenicero:
...................................................................................
23
-
2.3.6 Altar:
..........................................................................................................
24
2.3.7 Mampostera:
.............................................................................................
24
2.3.8 Conductos de humo:
..................................................................................
25
2.3.9 Caja de humo:
............................................................................................
25
2.3.10 Chimenea:
.................................................................................................
25
2.3.11 Regulador de tiro o
templador....................................................................
26
2.3.12 Tapas de registro o Puertas de inspeccin:
............................................... 26
2.3.13 Puertas de explosin:
................................................................................
26
2.3.14 Cmara de agua:
.......................................................................................
26
2.3.15 Cmara de vapor:
......................................................................................
27
2.3.16 Cmara de alimentacin de agua.
.............................................................
27
3 Combustin
.............................................................................................................
28
3.1 Definicin:
.........................................................................................................
28
3.2 Triangulo de la combustin
..............................................................................
29
3.3 Tipos de combustin.
.......................................................................................
30
3.3.1 Combustin completa:
...............................................................................
30
3.3.2 Combustin incompleta:
............................................................................
30
3.3.3 Combustin terica o estequiomtrica:
...................................................... 30
3.3.4 Combustin con exceso de aire:
................................................................
30
3.3.5 Combustin con defecto de aire:
...............................................................
31
3.4 Combustible.
....................................................................................................
31
3.4.1 Definicin:
..................................................................................................
31
3.5 De acuerdo con su estado de agregacin, los combustibles se
clasifican en: . 31
3.5.1 Combustibles slidos.
................................................................................
31
3.5.2 Combustibles lquidos.
...............................................................................
31
3.5.3 Combustibles gaseosos.
............................................................................
32
3.6 Propiedades generales de los combustibles.
................................................... 32
4 Mantenimiento.
.......................................................................................................
34
4.1 Mantenimiento preventivo.
...............................................................................
34
4.1.1 Operaciones diarias:
..................................................................................
35
4.1.2 Operaciones semanales:
...........................................................................
35
4.1.3 Operaciones mensuales.
...........................................................................
36
4.1.4 Operaciones semestrales.
.........................................................................
37
4.1.5 Operaciones anuales.
................................................................................
37
-
4.2 Problemas bsicos planteados en el interior de las calderas.
.......................... 39
4.2.1 Incrustaciones:
...........................................................................................
39
4.2.2
Corrosiones:...............................................................................................
40
4.2.3 Arrastres.
...................................................................................................
44
4.2.4 Depsitos.
..................................................................................................
45
5 Tratamiento del agua para las calderas
..................................................................
45
5.1 Tratamiento fsico-qumico del
agua.................................................................
45
5.1.1 Clarificacin
...............................................................................................
46
5.1.2 Desendurecimiento por intercambio inico
................................................ 46
5.1.3 Descarbonatacin
......................................................................................
47
5.1.4 Desmineralizacin
......................................................................................
48
5.1.5 Desgasificacin
..........................................................................................
49
5.2 Principales impurezas contenidas en el agua de aportacin y
sus efectos en el interior de las calderas de vapor.
...............................................................................
52
5.2.1 Calcio y Magnesio (Ca, Mg).
......................................................................
52
5.2.2 Materias en suspensin o coloidales.
........................................................ 53
5.2.3 Materia orgnica y aceites
.........................................................................
53
5.2.4 Alcalinidad (TA, TAC)
................................................................................
53
5.3 Funcionamiento
................................................... Error! Marcador
no definido.
5.3.1 Zona de liberacin de calor u hogar o cmara de combustin:
................. 60
5.3.2 Zona de tubos:
...........................................................................................
60
6 Anexo fotogrfico
....................................................................................................
61
Conclusiones
..................................................................................................................
III
Bibliografa.
.....................................................................................................................
IV
-
I
Introduccin
Caldera es un recipiente metlico, cerrado, destinado a producir
vapor o calentar agua,
mediante la accin del calor a una temperatura superior a la del
ambiente y presin
mayor que la atmosfrica.
A lo largo de este tema se comenta la historia del uso de vapor
as como su obtencin,
tratamiento y la forma de conversin para lograr algn tipo de
energa. La importancia
de las mquinas de vapor, atrajo a cientficos como Carnot a
fundar la termodinmica,
rama de la fsica que estudia el calor y las propiedades trmicas
de la materia.
Las mltiples aplicaciones que tienen las calderas industriales,
las condiciones variadas
de trabajo y las innumerables exigencias de orden tcnico y
prctico que deben cumplir
para que ofrezcan el mximo de garantas en cuanto a solidez,
seguridad en su manejo,
durabilidad y economa en su funcionamiento, ha obligado a los
fabricantes de estos
equipos a un perfeccionamiento constante a fin de encarar los
problemas.
Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace
hervir agua para producir
vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua pude
ser suministrado por un
hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro
aparato industrial (horno, por
ejemplo). Cuando el calor es suministrado por el lquido caliente
o por vapor que se
condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como
vaporizador y
transformador de vapor.
En los diferentes captulos que se encuentran descritos en este
trabajo se habla acerca
de las diferentes clasificaciones de las calderas industriales
as como las partes ms
importantes que las componen, as como la descripcin de cada una
de ellas, tambin
se comenta sobre el tratamiento del agua de aportacin a las
calderas.
Por otro lado se describe el mantenimiento que se le realizan a
las calderas, as como
los diferentes tipos de combustibles que utilizan las
calderas.
-
II
Justificacin:
Como apoyo a la facultad de ingeniera he optado por desarrollar
esta monografa,
debido a la dispersin de informacin que se tiene respecto a la
descripcin,
clasificacin y mantenimiento de las calderas.
Quiero brindar este apoyo a la facultad, para que sea de
beneficio a los alumnos de la
carrera de Ingeniera Mecnica Elctrica, as como aquellas personas
interesados en el
tema.
Objetivos:
Estudiar las calderas o generadores de vapor para ver el
funcionamiento y las partes
que las componen.
Investigar conceptualmente el tema de Calderas Industriales, de
manera de entregar
una investigacin relevante en el rea relacionada a este tipo de
equipos.
Conocer los diferentes elementos que integran una caldera, as
como la clasificacin de la misma.
Tener amplio criterio en el procedimiento a seguir en la
aplicacin del mantenimiento de las calderas industriales.
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1
Captulo I
1 Descripcin general de las calderas industriales 1.1
Antecedentes
La primera mencin de la idea de utilizar vapor para obtener
energa aparece en La
neumtica, del inventor y matemtico griego Hern de Alejandra, en
el siglo I. All
describi su eolpila, una turbina de vapor que consista en una
caldera conectada
mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que poda
girar libremente. La
esfera estaba equipada con dos boquillas biseladas por donde
sala vapor que produca
la rotacin de la esfera.
El inventor e ingeniero mecnico escocs James Watt naci el 19 de
enero de 1736, en
Cartsdike, Greenok; Escocia. Trabajo como constructor en el
taller mecnico de su
padre, donde obtuvo destreza en la construccin de instrumentos
de precisin y pronto
empez a interesarse en el perfeccionamiento de las mquinas de
vapor, inventadas
por los ingenieros ingleses Thomas Savery y Thomas Newcomen.
Hizo estudios terico
prctico sobre el vapor y su comportamiento en las anteriores
mquinas de vapor que
hasta entonces no tenan servicio til; y logro un rediseo y
perfeccionamiento a un
modelo que se conserva hoy en da en el museo de la ciencia de
Kensington Inglaterra.
Watt determino las propiedades del vapor, en especial la relacin
de su densidad, la
temperatura y la presin; y diseo una cmara de condensacin
independiente a la
mquina de vapor que evitaba las grandes prdidas de vapor en el
cilindro y aumentaba
las condiciones de vaco.
La primera patente de James Watt fue en 1769 que cubra esta
mquina y la mquina
de Newcomen e introdujo el primer avance significativo de la
caldera, el recipiente
esfrico o cilndrico que se calentaba por abajo con una hoguera.
La caldera de Watt,
construida en 1785, consista en un armazn horizontal cubierto de
ladrillo con
conductos para dirigir los gases calientes de la combustin sobre
la caldera. Watt, uno
-
2
de los primeros ingenieros que aprovech las propiedades
termodinmicas del vapor de
agua, utiliz la vlvula de seguridad de palanca, manmetros para
medir la presin y
grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus
calderas.
El avance de las industrias ha utilizado estas calderas de
manera significativa para los
procesos de transferencia de calor que cuyo objetivo es generar
vapor mediante una
combustin hecha en el horno.
Cuando James Watt observ que se podra utilizar el vapor como una
fuerza econmica
que remplazara la fuerza animal y manual, se empez a desarrollar
la fabricacin de
calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en
las distintas
industrias.
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases
calientes estaban en
contacto solamente con su base, y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del
combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron
tubos para aumentar la
superficie de calefaccin. Si por el interior de los tubos
circulan gases o fuego, se les
clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas
acuotubulares (tubos de
agua). Luego de otras experiencias, James Watt complet una
mquina de vapor de
funcionamiento continuo, que us en su propia fbrica, ya que era
un industrial ingls
muy conocido ver figura 1.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdtico,
Watt recurri a medir la
potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000
libras-pie/minuto o sea
550 libras-pie/seg., valor que denomin Horse Power, potencia de
un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema mtrico de unidades,
daba algo ms de 76
kgm/seg. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pars,
resolvi redondear ese
valor a 75 ms fcil de simplificar, llamndolo "Caballo Vapor" en
homenaje a Watt.
-
3
Figura 1. Mquina de Newcomen.
-
4
1.2 Marco terico
Las calderas son equipo que se utilizan para generar vapor a
partir de una fuente de
calor, proveniente generalmente de la energa trmica almacenada
por los combustibles
fsiles, como carbn, hidrocarburos, gases, combustibles, entre
otros. Dicho calor se
libera con la reaccin de los combustibles con el oxgeno.
Las calderas se componen de cinco partes principales: el hogar,
el quemador, las zonas
de circulacin de los gases, las zonas del fluido trmico y la
chimenea. En la zona de
recirculacin de gases se realiza la transmisin de calor al agua;
de acuerdo al tipo de
caldera, la circulacin de los gases se realiza por dentro o por
fuera de los tubos.
El hogar est constituido por dos elementos: la cmara de
combustin donde se libera
el calor por la reaccin de la combustin y el cenicero donde se
recogen los residuos de
la combustin, el flujo de calor, que se origina al quemar el
combustible, se transfiere
mediante tres mecanismos: radiacin, conveccin y conduccin. La
radiacin es la
transferencia de calor directa en forma de energa radiante,
procedente de la
incandescencia del combustible o de las llamas a los tubos y al
cuerpo de la caldera.
La conveccin es la transferencia de calor entre una superficie
slida y un fluido
adyacente que est en movimiento, puede ser libre o forzada. La
conduccin es la
transferencia de calor de un cuerpo a otro cuando se encuentran
en contacto fsico.
En el caso real de una caldera, la transferencia de calor es una
compleja interaccin de
todos los tipos de transferencia. Veamos lo que sucede en un
tubo colocado en una
corriente de gas caliente.
El flujo de gas es una corriente de conveccin que lleva calor
desde el horno hacia el
tubo. Una delgada pelcula de gas adhiere a la parte exterior del
tubo y de igual manera
-
5
una pelcula de agua adhiere a la parte interior del tubo donde
hay una corriente de
conveccin de agua.
El calor del gas debe fluir, por conduccin, a travs de la
pelcula de gas, el metal del
tubo y la pelcula de agua. La pobre conductividad trmica de la
pelcula de gas, en
comparacin con la del metal y la de la pelcula de agua causa una
gran cada de
temperatura en el exterior del tubo, esto mantiene la superficie
exterior del tubo
relativamente fra ver figura 1.2.
Figura 1.1 Transferencia de calor en tubos de una caldera.
En un tubo del supercalentador tendremos en su interior vapor en
lugar de agua. En
este caso en la pared interior del tubo habr una pelcula de
vapor de pobre
conductividad. Aun cuando la diferencia total de temperatura
permanece igual, el nuevo
orden de resistencias significa un gradiente diferente de
temperatura y una temperatura
ms alta en el metal del tubo
-
6
1.3 Definicin:
Caldera es un recipiente metlico, cerrado, destinado a producir
vapor o calentar agua,
mediante la accin del calor a una temperatura superior a la del
ambiente y presin
mayor que la atmosfrica.
La transferencia de calor se efecta mediante un proceso de
combustin que ocurre en
el interior de la caldera, elevando progresivamente su presin y
temperatura. La
presin, como se indic al inicio, no puede aumentar de manera
desmesurada, ya que
debe permanecer constante por lo que se controla mediante el
escape de gases de
combustin, y la salida del vapor formado.
Debido a que la presin del vapor generado dentro de las calderas
es muy grande,
estas estn construidas con metales altamente resistentes a
presiones altas, como el
acero laminado. Aparato a presin en donde el calor procedente de
cualquier fuente de
energa se transforma en utilizable, en forma de energa trmica, a
travs de un medio
de transporte en fase lquida o vapor.
Las calderas o generadores de vapor son instalaciones
industriales que, aplicando el
calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan el
agua para aplicaciones
en la industria.
1.4 Clasificacin de las calderas:
Las calderas se clasifican por su diseo en pirotubulares o
acuotubulares. Sin embargo,
pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por
el tipo de materiales de
que estn construidos, por su aplicacin, por la forma de toma de
aire, por el tipo de
combustible que utilizan, por la presin con que operan o por el
fluido portador de calor
que emplean.
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7
1.4.1 Caldera tipo locomvil.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido
calderas para traccin,
utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de
pasajeros. Vemos una
caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada
para quemar carbn
o lignito. El humo, es decir los gases de combustin caliente,
pasan por el interior de los
tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
La entrada de hombre, que se ve abierta, es la base de la
chimenea, es decir la caja de
humos y en la parte superior se encuentra la salida de vapor
figura 2.
Figura 2.
1.4.2 Calderas acuotubulares
Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se
desplaza por el interior de tubos
durante su calentamiento y los gases de combustin circulan por
el exterior de los
mismos. Son de aplicacin cuando se requiere una presin de
trabajo por encima de los
22 bares ver figura 3.
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8
Por su diseo constructivo, lgicamente tiene un bajo volumen de
agua y, por lo tanto,
pueden ser clasificadas como clase primera, de acuerdo con lo
indicado en reglamento
de Equipos a Presin en su instruccin tcnica complementaria ITC
EP-1 Capitulo II
Articulo 3.
En el caso de calderas de vapor, el titulo de vapor es muy bajo
(0.85), es decir, que el
contenido de agua por unidad de masa es muy alto (15%) si no se
les aaden
subconjuntos secadores del vapor, tales como recalentadores o
sobre calentadores.
Figura 3. Caldera acuotubular de 2 pasos de humos y circulacin
natural.
1 Cuerpo cilndrico. 6 Entrada de hombre.
2 Salida de vapor. 7 Hombre.
3 Toma de vapor. 8 Tabique deflectores.
4 Vlvula de seguridad. 9 Colectores.
5 Indicador de nivel. 10 Salida hacia la chimenea.
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9
1.4.3 Calderas pirotubulares.
Son aquellas calderas en las que los gases de la combustin
circulan por el interior de
los tubos y el lquido se encuentra en un recipiente atravesado
por dichos tubos. Son de
aplicacin principalmente cuando la presin de trabajo es inferior
a los 22 bares.
Por su diseo, tiene un gran volumen de agua, por lo que suelen
estar la totalidad de
las mismas clasificadas en la clase segunda de acuerdo con lo
indicado en el
reglamento de equipos a presin en su instruccin tcnica
complementaria ITC EP-1
Capitulo II Artculo 3.
Dicho volumen de agua les permite adaptarse mejor a las
variaciones de la instalacin
que las calderas acuotubulares.
El vapor producido por las mismas suelen tener un ttulo de vapor
cercano al 1, es
decir, que el contenido de agua por unidad de masa es baja (3%),
no siendo necesario
instalar equipos auxiliares. La exigencia de la calidad del agua
de alimentacin es
menor a las requeridas para las calderas acuotubulares ver
figura 4.
Figura 4. Vista esquemtica de una caldera pirotubular.
-
10
1.5 Clasificacin de las calderas pirotubulares
1.5.1 Calderas horizontales: El haz tubular est dispuesto de la
parte delantera a la trasera de la caldera ver
figura 5.
Figura 5. Caldera pirotubular horizontal.
1.5.2 Calderas verticales: El haz tubular est dispuesto de la
parte inferior a la parte superior de la caldera.
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11
1.5.3 Caldera pirotubulares de un solo paso.
En los primeros diseos, la caldera era simplemente un casco o
tambor con una lnea
de alimentacin y una salida de vapor montado sobre una caja o
marco de ladrillos. El
combustible era quemado sobre una parrilla de bajo del casco y
el calor liberado era
aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases
salieran por la
chimenea.
Los diseadores de calderas muy pronto aprendieron que calentar
una gran masa de
agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era
necesario poner una mayor
porcin de esa agua en contacto con el calor ver figura 6.
Figura 6. Caldera pirotubular de un solo paso
-
12
1.5.4 Calderas de dos (2) pasos de gases.
En el diseo de dos pasos de humos, se distinguen claramente dos
vas de paso
autnomas de circulacin de los productos de combustin. Se puede
diferenciar una
cmara cilndrica de combustin denominada hogar, localizada en la
parte inferior de la
caldera y rodeada por una pared posterior totalmente refrigerada
por agua (cmara
hmeda).
Los gases de combustin producidos por el quemador en la parte
posterior de la
cmara de combustin (hogar) fluyen en sentido inverso a travs del
hogar volviendo
hacia el ncleo de la lama por la zona exterior de la misma hasta
la zona delantera de
la caldera para introducirse en los tubos del segundo paso de
humos ver figura 7.
Seguidamente, los gases de la combustin de la caldera son
dirigidos hacia la caja de
gases trasera y evacuados al exterior.
Las calderas que se basan en este principio se caracterizan por
su bajo rendimiento,
as como el alto contenido de sustancias contaminantes en sus
gases de combustin.
Figura 7.Caldera de dos pasos de gases.
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13
1.5.5 Calderas de tres (3) pasos de gases.
En el diseo de tres pasos de humos, se distinguen claramente
tres vas de paso
autnomas de sentido nico de circulacin de los productos de
combustin. Se puede
diferenciar una cmara cilndrica de combustin denominado hogar 1,
localizado en la
parte inferior de la caldera y rodeada por una pared posterior
totalmente refrigerada por
agua (cmara hmeda).
Los gases de combustin producidas por el quemador en la parte
posterior de la
cmara de combustin (hogar) fluyen a travs de los tubos de humos
2 en el segundo
paso de humos ver figura 8 y 8.1.
Seguidamente, los gases de combustin de la caldera cambian en
direccin en la parte
frontal de la caldera, pasando a travs de los tubos de humos 3
en el tercer paso de
humos, hacia el conducto de expulsin de gases 4, por el que se
evacuan al exterior.
Las calderas que se basan en este principio se caracterizan por
su alto rendimiento, as
como por el bajo contenido de sustancias contaminantes en sus
gases de combustin.
Estas calderas pueden ser instaladas cumpliendo las exigencias
medioambientales ms
rigurosas.
Figura 8. Caldera de triple paso de humos.
-
14
Figura 8.1
-
15
1.6 Clasificacin de las calderas por su tecnologa.
Las calderas o generadores son equipos que, aplicando el calor
de un combustible
gaseoso, liquido o solido mediante quemador especialmente
diseado para cada
combustible, calientan el agua hasta 95c (calderas de agua
caliente), por encima de
los 100c (calderas de agua sobrecalentada), calientan agua y
producen su cambio de
estado de fase lquida a fase gaseosa (calderas de vapor).
1.6.1 Calderas de agua caliente.
Las calderas de agua caliente son aquellas en las que el fluido
caloportador es el agua
y tienen una temperatura mxima de servicio inferior a 100 c.
Este tipo de calderas pueden ser acuotubulares o
pirotubulares.
1.6.2 Calderas de agua sobrecalentada.
Las calderas de agua sobrecalentada son aquellas en las que el
fluido caloportador es
el agua y tienen una temperatura mxima de servicio superior a
110 c. Este tipo de
calderas pueden ser acuotubulares o pirotubulares.
1.6.3 Calderas de fluido trmico.
Las calderas de fluido trmico son aquellas en las que el fluido
caloportador es distinto
al agua. Este tipo de calderas pueden ser nicamente
acuotubulares.
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16
1.6.4 Calderas de vapor.
Las calderas de vapor son aquellas en las que el fluido
caloportador es vapor de agua.
Este tipo de calderas pueden ser acuotubulares o pirotubulares
ver figura 9.
Figura 9.
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17
Capitulo II
2 Seleccin del tipo de caldera.
Para asegurar la seleccin correcta del equipo para producir
vapor, hay que considerar
una serie de variables. Los parmetros principales que se han de
tener en cuenta a la
hora de seleccionar el tipo de caldera son los siguientes:
Cantidad y tipo de vapor requerida.
Presin, temperatura, calidad del vapor requerido.
Futuros rendimientos.
Localizacin de la unidad.
Caractersticas de la carga.
Tipos de combustibles disponibles.
Diseo de quemadores.
Calidad del agua de alimentacin.
Variaciones previstas de la carga.
2.1 Requisitos
Por otra parte, el usuario espera que el equipo rena ciertos
requisitos bsicos, que
incluyen lo siguiente:
Seguridad en el servicio.
Sencillez.
Bajo costo de adquisicin, operacin y mantenimiento.
Servicio adecuado.
Una vez seleccionada y construida la caldera existen otros
factores que afectan
notablemente la eficiencia de la unidad pues inciden
directamente en el estado de las
superficies de transferencia trmica.
-
18
Los tubos de la caldera son afectados internamente por las
impurezas del agua que
tienden a depositarse o a formar incrustaciones en las paredes,
lo cual hace necesario
someter el agua a tratamiento qumico para minimizar este y otros
efectos indeseables.
La parte exterior de los tubos y otras zonas de la caldera son
afectadas por depsitos
que ensucian o incrustan las paredes. Estos depsitos son
determinados
principalmente por los siguientes factores:
a) Tipo de combustible:
Combustible pulverizado (carbn).
Combustleo.
Gas natural.
b) Calidad del combustible:
Contenido de azufre y cloruros en el carbn
Contenido de cenizas y temperatura de fusin de ellas.
Contenido de vanadio, sodio, azufre en el combustleo.
c) Condiciones de combustin:
Exceso de aire.
Longitud de la llama.
Turbulencia del aire- combustible a la salida del quemador.
Turbulencia en el hogar.
Temperaturas.
Distribucin del aire.
Tipo de paredes en el hogar.
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19
d) Diseo:
Localizacin, tipo y espacio entre los elementos del
supercalentador, calentador
y economizador.
Altura del hogar y temperatura de salidas de gases.
De los anteriores factores, indudablemente que el diseo es el
que ofrece mayores
posibilidades de mejora.
Los ms recientes muestran mayor rea seccional en el hogar,
eliminacin de paredes
de divisin, temperatura de gases ms bajas, distribucin ms
uniforme de suministro
de calor en toda la caldera, velocidad de gases ms bajas.
2.2 Componentes fundamentales de las calderas pirotubulares
Los componentes que conforman las calderas pirotubulares son los
siguientes:
Envolvente exterior o virola exterior.
Este elemento es de forma cilndrica y es el encargado de
contener los fluidos
(agua/vapor) y evitar que estos salgan al exterior, en la misma
va montadas las
tubuladuras de control y supervisin, tales como los controles de
nivel, los indicadores
pticos de nivel y orificios de inspeccin del lado de agua.
Cmara de combustin u hogar de combustin.
La cmara de combustin, de construccin cilndrica y disposicin
horizontal, puede
fabricarse en ejecucin lisa u ondulada, en funcin del tamao de
la caldera y de la
presin de trabajo. Es la encargada de contener la llama del
quemador e iniciar el
intercambio de energa por radiacin.
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20
Cmara de inversin de gases (solo en las calderas de tres
pasos de gases).
Este elemento es el encargado de reconducir los gases de la
combustin hacia el haz
tubular o II pasos de gases, haciendo cambiar de direccin a los
mismos. Por regla
general, esta cmara est totalmente refrigerada por agua, y
construida de forma
cilndrica y horizontal. En calderas de bajo rendimiento, uno de
los fondos no est
refrigerado por agua, sino que lo est de una mampostera de
cemento refractario.
Fondo delantero y trasero exterior
De forma circular, van soldadas a la virola exterior y, al igual
que sta, evitan que los
fluidos salgan al exterior. En estas piezas van soldadas los
tubos de humos de II y III
pasos de gases, as como puertas de registro e inspeccin y
cajones recolectores de
gases.
Fondo delantero y trasero interior (solo en calderas de III
pasos
de gases).
De forma circular, van soldados a la virola de la cmara de
inversin. Su misin es la de
contener los productos de la combustin. En el fondo delantero
van soldados los tubos
de segundo pasos de gases y en el fondo trasero van soldados
entre ste y el fondo
trasero exterior unos tubos huecos (tubos stay) para dar al
conjunto robustez y
flexibilidad.
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21
Haz tubular (de 1 o 2 secciones en funcin de las calderas de 2
o
3 pasos de gases)
Son conjuntos formados por una cantidad variable de tubos, por
los cuales circulan los
gases de la combustin por su interior. Son los encargados de la
trasmisin por
conveccin
2.3 Partes principales que componen una caldera.
Las partes ms importantes que componen una caldera son:
2.3.1 Hogar o fogn:
Es el espacio donde se produce la combustin. Se le conoce tambin
con el nombre de
cmara de combustin. La cmara confina los productos de la
combustin y puede
resistir las altas temperaturas que presentan y las presiones
utilizan. Los hogares se
pueden clasificar en:
1. Segn su ubicacin:
Hogar exterior.
Hogar interior.
2. Segn el tipo de combustible:
Hogar para combustible slido.
Hogar para combustible gaseoso.
3. Segn su construccin:
Hogar liso.
Hogar corrugado.
Esta clasificacin rige solamente cuando el hogar de la caldera
lo compone uno o ms
tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo Hogar.
-
22
2.3.2 Puerta Hogar:
Es una pieza metlica, abisagrada, revestida generalmente en su
interior con ladrillo
refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible
slido al hogar y se
hacen las operaciones de control de fuego. En las calderas que
queman combustibles
lquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el
quemador.
2.3.3 Emparrillado:
Son piezas metlicas en forma de rejas, generalmente
rectangulares trapezoidales, que
van en el interior del fogn y que sirve de soporte al
combustible slido. Debido a la
forma de reja que tienen, permiten el paso del aire primario que
sirve para que se
produzca la combustin.
I. Las parrillas deben adaptarse al combustible y deben
cumplir
principalmente los siguientes requisitos:
Deben permitir convenientemente el paso del aire.
Deben permitir que caigan las cenizas.
Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez.
Deben impedir que se junte escoria.
Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que
no se quemen o
deformen.
Deben ser durables.
Algunos diseos de parrillas permiten que por su interior pase
agua para
refrigerarla y evitar recalentamiento.
II. Tipos de parrillas:
Segn su instalacin:
1) Fijas o estacionarias: son aquellas que no se mueven
durante el trabajo.
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23
2) Mviles o rotativas: son aquellas que van girando o
avanzando mientras se quema el combustible.
Segn su posicin:
1) Horizontales.
2) Inclinadas.
3) Escalonadas.
2.3.4 Cenicero:
Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para
recibir las cenizas que caen de
esta. Los residuos acumulados deben retirarse peridicamente para
no obstaculizar el
paso de aire necesario para la combustin ver figura 10.
Figura 10.
2.3.5 Puerta del cenicero:
Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza
del cenicero. Mediante
esta puerta regulable se puede controlar tambin la entrada del
aire primario al hogar.
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24
2.3.6 Altar:
Es un pequeo muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar,
en el extremo opuesto
a la puerta del fogn y al final de la parrilla, debiendo
sobrepasar a esta
aproximadamente 30 cm.
Los objetivos del altar son:
1. Impedir que caigan de la parrilla residuos o partculas de
combustible.
2. Ofrecer resistencia a las llamas y gases para que estos se
distribuyan en
forma pareja o a lo ancho de la parrilla y lograr en esta forma
una
combustin completa.
3. Poner resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia
la chimenea.
Can esto se logra que entreguen todo su calor y salgan a la
temperatura
adecuada.
2.3.7 Mampostera:
Se llama mampostera a la construccin de ladrillos refractarios o
comunes que tiene
como objeto:
1. Cubrir la caldera para evitar prdidas de calor.
2. Guiar los gases y humos calientes en su recorrido.
Para mejorar la instalacin de la mampostera se dispone a veces
en sus paredes de
espacios huecos que dificultan el paso del calor. En algunos
tipos de calderas, se ha
eliminado totalmente la mampostera de ladrillo, colocndose
solamente aislacin
trmica en el cuerpo principal y cajas de humo. Para esto se
utilizan materiales
aislantes tales como lana de vidrio recubierta con planchas
metlicas y asbestos.
-
25
2.3.8 Conductos de humo:
Figura 11.
Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases
calientes de la combustin.
De esta forma, se aprovecha el calor entregado por estos para
calentar el agua y/o
producir vapor ver figura 11.
2.3.9 Caja de humo:
Corresponde al espacio de la caldera en la cual se juntan los
humos y gases, despus
de haber entregado su calor y antes de salir de la chimenea.
2.3.10 Chimenea:
Es el conjunto de la salida de los gases y humos de la combustin
para la atmsfera.
Adems tiene como funcin producir el tiro para obtener una
adecuada combustin.
-
26
2.3.11 Regulador de tiro o templador.
Consiste en una compuerta metlica instalada en el conducto de
homo que comunica
con la chimenea o bien en la chimenea misma y que tiene como
objeto de dar mayor o
menor paso a la salida de los gases y humos de la combustin.
2.3.12 Tapas de registro o Puertas de inspeccin:
Son aberturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la
caldera. Existen dos tipos,
dependiendo de su tamao.
1. Las puertas hombre: por sus dimensiones permite el paso de un
hombre
al interior de la caldera.
2. Las tapas de registro: por ser de menor tamao, permite slo el
paso de
un brazo.
2.3.13 Puertas de explosin:
Son puertas metlicas con contrapeso o resorte, ubicadas
generalmente en la caja de
humos y que se abren en caso de exceso de presin en la cmara de
combustin,
permitiendo la salida de los gases y eliminando la presin. Slo
son utilizables en
calderas que trabajen con combustible lquido o gaseoso.
2.3.14 Cmara de agua:
Es el volumen de la caldera que est ocupado por el agua que
contiene y tiene como
lmite superior un cierto nivel mnimo del que no debe descender
nunca el agua durante
el funcionamiento.
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27
2.3.15 Cmara de vapor:
Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior mximo
de agua y en el cual
se almacena el vapor generado por la caldera.
2.3.16 Cmara de alimentacin de agua.
Es el espacio comprendido entre los niveles mximo y mnimo de
agua ver figura 12.
Figura 12.
1 Quemador. 9 Indicador de nivel y manmetro.
2 Tubo de fuego. 10 Ventilador.
3 Cmara de humo. 11 Bomba de presin del combustible.
4 Cmara de agua. 12 Espiral de aire.
5 Cmara de vapor. 13 Salida hacia la chimenea.
6 Salida de vapor. 14 Cuerpo cilndrico revestido con material
aislante.
7 Vlvula de seguridad. 15 Tubos de humo.
8 Entrada de hombre. 16 Toma de vapor
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28
Capitulo III
3 Combustin
3.1 Definicin:
Es el conjunto de procesos fsico-qumico en los que un elemento
combustible se
combina con otro elemento comburente generalmente oxgeno en
forma de O2
gaseoso, desprendiendo luz, calor y productos qumicos
resultantes de la reaccin
(oxidacin). Como consecuencia de la reaccin de combustin se
tiene la formacin de
una llama. Dicha llama es una masa gaseosa incandescente que
emite luz y calor.
Las reacciones bsicas de combustin corresponden a las reacciones
de oxidacin del
carbono (c) y del hidrogeno (h) mediante oxgeno que puede
aportarse en forma pura.
La combustin no es realmente una nica reaccin qumica, sino que
se pueden
distinguir tres fases en la reaccin de combustin:
Fase de pre-reaccin (formacin de radicales): El combustible se
descompone
dando lugar a la formacin de radicales, que son unos compuestos
intermedios
inestables y muy activos, para que, de este modo, el carbono y
el hidrgeno
puedan reaccionar con el oxgeno.
Fase de oxidacin: En esta fase se produce la combinacin entre
radicales y el
oxgeno de un modo exotrmico. Es cuando tiene lugar la propagacin
de la
llama.
Fase de terminacin: En esta fase se forman los compuestos los
compuestos
estables finales. El conjunto de estos compuestos es lo que se
denominan
gases de combustin.
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29
3.2 Triangulo de la combustin
Para que se produzca la combustin, deben encontrarse en el
espacio y en el tiempo
de tres elementos ver figura 13:
o Combustible.
o Comburente.
o Fuente de ignicin.
Figura 13.
Por otra parte, para que se inicie la combustin, es necesario
que el combustible se
encuentre en forma gaseosa. Por ello, los combustibles lquidos y
slidos precisan
calentarse primero para que desprendan vapores que puedan
inflamarse.
Temperatura de gasificacin es la temperatura a la cual el
combustible se gasifica.
Temperatura de ignicin es la temperatura a la cual el
combustible ya gasificado se
inflama espontneamente.
-
30
3.3 Tipos de combustin.
3.3.1 Combustin completa:
Es aquella reaccin en la que el combustible se quema hasta el
mximo grado posible
de oxidacin. En consecuencia no habr sustancias combustibles en
los humos. En los
productos de la combustin se pueden encontrar N2, CO2, H2O y
SO2.
3.3.2 Combustin incompleta:
Es aquella reaccin en la que el combustible no se oxida
completamente. Se forman
sustancias, denominadas inquemados, que todava pueden seguir
oxidndose, por
ejemplo, CO, H2, Cn Hm, H2S y C. Estas sustancias son las
contaminantes ms
comunes que escapan a la atmsfera en los gases de combustin.
3.3.3 Combustin terica o estequiomtrica:
Es la combustin realizada con la cantidad terica de oxgeno
estrictamente necesario
para producir la oxidacin total del combustible sin que se
produzca inquemados. En
consecuencia, no se encuentra O2 en los humos, ya que el O2
aportado a la combustin
se consume completamente en la misma.
3.3.4 Combustin con exceso de aire:
Es la combustin que se lleva acabo con una cantidad de aire
superior a la
estequiomtrica. Esta combustin tiende a no producir inquemados y
es tpica la
presencia de O2 en los humos. Si bien la incorporacin de aire
permite evitar la
combustin incompleta y la formacin de inquemados, trae con l la
prdida de calor en
los productos de combustin, la eficiencia y la longitud de
llama.
-
31
3.3.5 Combustin con defecto de aire:
En esta combustin, el aire disponible es menor que el necesario
para que se produzca
la oxidacin total del combustible.
3.4 Combustible.
3.4.1 Definicin:
Es cualquier material capaz de liberar energa en forma de calor
cuando reacciona con
el oxgeno, habitualmente el contenido en el aire, transformando
su estructura qumica.
Supone la liberacin de una energa de su forma potencial en una
forma utilizable.
3.5 De acuerdo con su estado de agregacin, los combustibles se
clasifican en:
3.5.1 Combustibles slidos.
Son aquellas substancias en las que sus molculas presentan una
gran cohesin
entre s, ya que las fuerzas de atraccin son superiores a las que
originan los
movimientos moleculares. Su caracterstica fundamental es que
mantienen una forma y
volumen definidos.
3.5.2 Combustibles lquidos.
Son aquellas sustancias en las que las fuerzas resultantes de
los movimientos
moleculares son lo suficientemente elevadas frente a las fuerzas
de atraccin para
permitir el movimiento de las molculas entre s, permitindole
fluir y adaptarse a la
-
32
forma del recipiente que las contiene. Su caracterstica
fundamental es que no poseen
una forma definida, aunque mantienen un volumen determinado.
3.5.3 Combustibles gaseosos.
Son aquellas sustancias en las que las fuerzas resultantes de
los movimientos
moleculares son muy superiores a las fuerzas de atraccin entre
molculas. Por ello,
las molculas de los gases se distancian ocupando todo el espacio
disponible. Si no se
contiene en un espacio cerrado, se difunden en la atmsfera. Su
caracterstica
fundamental es que tienen forma y volumen variables y ejercen
presin sobre las
paredes del recipiente que las contiene.
3.6 Propiedades generales de los combustibles.
Poder calorfico.
Es la cantidad de energa (calor) desprendida por una unidad de
combustible en su
combustin completa para unas condiciones determinadas de presin
y temperatura de
los productos que reaccionan y los productos resultantes.
A hora se definen dos tipos de poder calorfico segn la
temperatura final de los gases
quemados.
Poder calorfico superior (Ps)
Es la cantidad de energa desprendida por una unidad de
combustible enfriando los
gases quemados hasta 0 C a presin atmosfrica. En estas
condiciones, el vapor de
agua ha condensado, cediendo su calor latente de vaporizacin. Se
mide en KWh/Kg
(combustibles slidos y lquidos) o en KWh/Nm3 (combustibles
gaseosos).
Poder calorfico inferior (Pi)
Es la cantidad de energa desprendida por una unidad de
combustible enfriando los
gases quemados hasta 0C a presin atmosfrico, pero sin considerar
el calor latente
-
33
de condensacin del vapor de agua producida. Se mide en KWh/kg
(combustibles
slidos y lquidos) o en KWh/Nm3 (combustibles gaseosos) ver tabla
1.
Combustibles Unidad Ps Pi
Gas natural KWh/kg 14.43 13.05
Propano
comercial
KWh/kg 13.92 12.82
Butano comercial KWh/kg 13.74 12.69
Gasleo C KWh/kg 12.23 11.56
Tabla 1. Poder calorficos de los combustibles
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34
Capitulo IV
4 Mantenimiento. 4.1 Mantenimiento preventivo.
Deber realizarse un mantenimiento adecuado de todos los sistemas
de la instalacin,
prestando una dedicacin especial a los rganos limitadores o
reguladores para que
mantengan su fiabilidad, procediendo a la comprobacin de su
funcionamiento durante
las verificaciones, as como atencin especial sobre el
tratamiento del agua de
alimentacin.
La implantacin de un mantenimiento preventivo har frente a los
riesgos que
conllevan un mal funcionamiento o una falta de prestacin de
servicio de las calderas.
Disminuir la cantidad de produccin.
Aun con la caldera funcionando y prestando servicio, a la
ausencia o mal
mantenimiento preventivo puede provocar un aumento del coste
energtico
porque no se alcance un rendimiento ptimo.
Un coste energtico ms elevado lleva asociado una prdida de
competitividad.
El mantenimiento preventivo es de carcter y actuacin continua, y
debe estar
destinado a:
Optimizar los procesos productivos y la produccin.
Reducir los costes directos e indirectos ocasionados por
fallas.
Conseguir la mxima vida til de la caldera y los equipos
asociados.
-
35
Estas operaciones varan en funcin del tipo de instalacin, a un
que, en lo
general, se puede decir que consistirn en:
1. Operaciones diarias.
2. Operaciones semanales.
3. Operaciones mensuales.
4. Operaciones semestrales.
5. Operaciones anuales.
4.1.1 Operaciones diarias:
Vigilancia del equipo de tratamiento de agua de aporte y
clasificacin de aditivos,
reponiendo los reactivos en cantidad suficiente para disponer de
una autonoma
adecuada.
Vigilancia de la temperatura de gases en chimenea.
Vigilancia de temperatura de ida y retorno en calderas de agua
caliente.
En calderas de produccin de vapor:
i. Si hay retorno de condensados, comprobar que estos ltimos
lleguen a la
sala de calderas libres de contaminantes.
ii. Comprobar el correcto funcionamiento de los indicadores de
nivel pticos.
iii. Efectuar las purgas de los indicadores pticos de nivel,
lodos, botellines
de nivel, si los hubiese, y el colector de instrumentacin donde
van
alojados los presostatos y manmetros.
iv. Vigilancia de la temperatura de aportacin de agua.
4.1.2 Operaciones semanales:
Tomar y analizar muestras del agua contenida en el interior de
la caldera:
i. Salinidad.
ii. Dureza.
-
36
iii. pH.
iv. Contenido O2.
v. Aspecto (incoloro, claro, sin substancias no disueltas o
turbio).
Comprobar el correcto funcionamiento de automatismos
involucrados en la
caldera de seguridades del conjunto caldera-quemador.
Limpiar filtros, fotoclula y electrodos de encendido del
quemador en caso de
utilizar combustibles lquidos.
Proceder al cierre y apertura de todas las vlvulas manuales que
estn
asociados a la caldera, comprobando que funcionen
correctamente.
Comprobar el correcto funcionamiento de termmetros, termostatos,
manmetros
y presostatos.
Comprobar estanqueidad en aperturas de inspeccin que dan acceso
al interior
de la caldera.
4.1.3 Operaciones mensuales.
Pruebas de funcionamiento de equipos y accesorios del
quemador:
i. Elementos de mando combinacin aire-combustible.
ii. Dispositivos de cierre de combustible.
iii. Indicador de presin de combustible.
iv. Dispositivo de cierre de seguridad del combustible.
v. Equipo de control de estanqueidad en caso de utilizar
gas.
vi. Sistema de control de llama.
Prueba de funcionamiento del paro con interruptor de
emergencia.
Prueba de buen funcionamiento de bombas de circulacin o
alimentacin de
agua.
Verificar el buen funcionamiento de elementos del cuadro
elctrico de maniobra y
control: automatismo y seguridad.
Anlisis de gases y ajustes de la combustin, si es necesario.
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37
4.1.4 Operaciones semestrales.
En caso de utilizar combustibles lquidos, proceder a la limpieza
de tubos de
humos, eliminado hollines.
Comprobar el estado de las partes que tienen refractario, como
la boca de
acoplamiento del quemador, tapn de registro y acceso al
hogar.
Inspeccin interna en el lado agua y gases. Proceder a limpieza
si es necesario.
4.1.5 Operaciones anuales.
Inspeccin en frio, caldera parada, procediendo a la apertura de
todos los
registros en el lado de agua y gases.
Proceder a la limpieza del lado agua eliminando incrustaciones y
sedimentos.
Inspeccionar el estado de la caldera respecto a la aparicin de
corrosiones y
evaluar si el tratamiento de agua que se ha aplicado es correcto
o mejorable.
En el lado de gases, proceder tambin a una limpieza exhaustiva,
eliminando
hollines.
Comprobar el estado de los elementos de seguridad que actan
sobre la presin,
temperatura y nivel.
Comprobar el estado de las uniones soldadas entre tubos de humo
y hogar con
las placas delantera y trasera.
Realizar una medicin de espesores por ultrasonidos en las partes
que
conforman el cuerpo a presin de la caldera.
Proceder a la sustitucin de juntas de los registros o elementos
desmontados,
limpiando o rectificando los asientos en caso de ser
necesario.
Una vez realizadas las operaciones anteriores, proceder a una
prueba de presin
en fro.
Posteriormente realizar una prueba de funcionamiento con
quemador en marcha,
forzando el disparo y actuacin de los equipos de seguridad.
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38
Ejemplos
Figura 14. Figura 15.
Rotura y Desprendimiento de refractario ver figura 14 y 15.
Causa:
Puesta en marcha inicial demasiado rpida.
No respetar tiempos ni proceso de secado de refractarios.
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39
Figura 16 Figura 17
Deformaciones y roturas del paquete tubular ver figura 16 y
17.
Entrada de condensados contaminados (grasa)
Causa:
Ausencia de control y vigilancia del aporte de agua.
Mantenimiento incorrecto.
4.2 Problemas bsicos planteados en el interior de las
calderas.
Los principales problemas que pueden aparecer en la utilizacin
de las calderas de
vapor vienen motivados por los siguientes procesos:
Incrustaciones.
Corrosiones.
Arrastres.
Depsitos.
4.2.1 Incrustaciones:
Las incrustaciones cristalinas y duras se forman directamente
sobre la superficie de
calefaccin por cristalizacin de las sales en disolucin saturadas
presentes en el agua
de la caldera. Estn constituidas, esencialmente, por elementos
cuya solubilidad
decrece al aumentar la temperatura del agua y son, generalmente,
carbonato clcico,
sulfato clcico, hidrxido clcico y magnsico y ciertos silicatos
de calcio, de magnesio
y de aluminio ver figura 18.
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40
Figura 18.
Las incrustaciones son peligrosas porque su conductividad trmica
es pequea. Estas
incrustaciones afectan al recalentamiento importante en el metal
expuesto a la llama.
Esto se traduce en corrosiones, hinchamientos y explosiones,
cuyas consecuencias
pueden ser graves.
La accin de dispersantes, lavados qumicos o las dilataciones y
contracciones de una
caldera pueden soltar las incrustaciones, por lo que deben ser
eliminados para prevenir
su acumulacin en el fondo del cuerpo de presin.
4.2.2 Corrosiones:
La corrosin es un proceso por el cual el metal en contacto con
su medio ambiente
tiende a cambiar desde forma pura de metal a otra ms estable. El
hierro, es
gradualmente disuelto por el agua y oxidado por el oxgeno.
Este proceso ocurre rpidamente en los equipos de transferencia
de calor, como son
las calderas de vapor, ya que, en presencia de altas
temperaturas, gases corrosivos y
solidos disueltos en el agua se estimulan los procesos de
corrosin.
De los diversos tipos de corrosin que se pueden plantearse, se
consideran como
fundamentales los siguientes:
Corrosin general.
Corrosin por oxgeno.
Corrosin acstica.
Corrosin por anhdrido carbnico.
4.2.2.1 Corrosin general:
-
41
La corrosin general tiende a disolver o atacar el metal de
manera uniforme
sobrecalentado por el vapor, tal como pueden ocurrir en la
superficie de los tubos, con
acumulacin de productos de la corrosin en la propia superficie
del metal.
Un caso singular de esta corrosin es la debida a la acidez del
agua segn la reaccin:
Fe + 2H+ Fe++ + H2
El hierro y otros metales se disuelven ms rpidamente en el agua
cuando ms bajo
sea el valor del pH o ms acida sea el agua.
4.2.2.2 Corrosin por el oxgeno o pitting.
La corrosin por el oxgeno disuelto puede manifestarse, adems de
forma
generalizada, por despolarizacin catdica al desequilibrador la
reaccin anterior en un
proceso de corrosin muy importante llamado corrosin por aireacin
diferencial.
Efectivamente cuando un metal se ve recubierto de forma
irregular por barros e
incrustaciones, en presencia de oxgeno disuelto, las zonas
cubiertas se ven
preferentemente atascadas y son el centro de corrosiones
localizadas y profundas,
como tubrculos de color negro ver figura 19.
-
42
Figura 19.
4.2.2.3 Corrosin custica
La corrosin custica se produce por una sobre concentracin local
en zonas de
elevadas cargas trmicas de sales alcalinas, como la sosa
custica.
Este tipo de corrosin se manifiesta en forma de cavidades
profundas, semejantes al
pitting por oxgeno, rellenas de xidos de color negro, presentes
solamente en las
zonas de elevada liberacin trmica de una caldera ver figura
20.
-
43
Figura 20.
4.2.2.4 Corrosin por anhdrido carbnico.
El anhdrido carbnico disuelto en el agua y los distintos
compuestos que en ella forma
juega un papel importante en la qumica del agua. El CO2 se
disuelve en el agua en
funcin de su presin parcial. Una parte permanece en disolucin en
forma de gas
mientras otra reacciona con el agua para dar cido carbnico
(H2CO3) que se disuelve
parcialmente para dar iones. Estas corrosiones se pone en
manifiesto principalmente en
las lneas de retorno de condensado y tiene efecto sobre la
caldera, ya que los xidos
producidos son arrastrados a la misma con el agua de alimentacin
ver figura 21.
-
44
Figura 21.
4.2.3 Arrastres.
El arrastre de condensado en una caldera tiene relacin con el
suministro de vapor
hmedo .El suministro de vapor hmedo puede tener relacin con
deficiencias
mecnicas y qumicas.
Las deficiencias mecnicas tienen relacin con la operacin con
elevados niveles de
agua, deficiencia de los separadores de gota, sobrecargas
trmicas, variaciones
bruscas en los consumos.
Por otro lado, la deficiencia qumica tiene relacin con el
tratamiento de agua de la
caldera, especficamente con excesivos contenidos de alcalinidad,
solidos totales
(disueltos y en suspensin) y slice, que favorecen la formacin de
espuma ver figura
22.
-
45
Figura 22.
4.2.4 Depsitos.
El agua que contiene la caldera tiene slidos en suspensin que
provienen del agua de
alimentacin o de los aditivos y procesos de eliminacin de las
incrustaciones que se
decantan en el fondo de la caldera en forma de lodos.
Al igual que ocurren con las incrustaciones, la conductividad
trmica de estos
compuestos precipitados es muy bajo, lo que puede llevar al
fallo del metal por
sobrecalentamiento al no refrigerarse adecuadamente.
Cuando la concentracin de slidos en suspensin es excesiva, la
precipitacin de
lodos puede llevar al fallo de lectura de algunos componentes de
control de la caldera,
como pueden ser las sondas de nivel o de presin.
Captulo V
5 Tratamiento del agua para las calderas
5.1 Tratamiento fsico-qumico del agua
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46
Los diferentes tipos de tratamiento generalmente utilizados, en
funcin de los
resultados que se pretenden obtener sobre el agua de aportacin
son los siguientes:
Clarificacin
Desendurecimiento
Descarbonatacin
Desmineralizacin
Desgasificacin
5.1.1 Clarificacin
El tratamiento de clarificacin puede reducirse a una simple
filtracin que tiene por
objeto retener sobre un soporte las materias minerales u
orgnicas contenidas en el
agua almacenada. La con retencin de las materias en suspensin
por el lecho filtrante
lleva consigo el colmatado progresivo con disminucin de la
velocidad de filtracin y
aumento de la prdida de carga.
5.1.2 Desendurecimiento por intercambio inico
En este tipo de proceso tiene por objetivo la eliminacin de toda
la dureza del agua
sustituyendo las sales de calcio y magnesio por sales de sodio
no incrustantes. Para
ello se utiliza resina de intercambio inico en ciclo sodio
(RNa2) donde la movilidad de
los iones de sodio permite las reacciones siguientes:
Sales de calcio Ca++ + RNa2 Rca + 2Na+
Sales de magnesio Mg++ + RNa2 RMg + 2Na+
A la salida del ablandador la dureza total del agua es
prcticamente nulo. Cuando la
resina est saturada en iones de calcio y magnesio, es necesario
regenerarla. Esta
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regeneracin se hace simplemente haciendo pasar una solucin
saturada de cloruro de
sodio o salmuera.
El inters del desendurecimiento est en que elimina totalmente la
dureza del agua y,
por tanto, los riesgos de la incrustacin.
5.1.3 Descarbonatacin
La Descarbonatacin tiene por objetivo eliminar la dureza
bicarbonatada, clcica y
magnsica (dureza temporal). Las resinas carboxlicas cuya forma
es del tipo R-COOH
tiene la ventaja de no poder intercambiar sus iones de hidrgeno
nada ms con
cationes ligados a aniones dbiles.
El intercambio catinico tiene lugar con los bicarbonatos,
mientras que es imposible con
los sulfatos y cloruros, que son aniones fuertes.
2RCOOH + Ca (HCO3)2 R2COOCa + CO2 + H2O
Se trata de una permutacin selectiva en la que interviene la
parte bicarbonatada del
agua, cuando la resina est saturada se regenera con cido.
En las calderas de vapor pirotubulares con presiones de trabajo
inferior a 17 Kg/cm2 es
muy til y rentable proceder a tratar el agua de aportacin a
travs de un proceso
combinado de descarbonatacin ms desgasificacin atmosfrica ms
desendurecimiento ms acondicionamiento, de acuerdo con las
caractersticas del
agua, en vez de realizar un simple tratamiento de
desendurecimiento ms
acondicionamiento.
Existen otros factores que se deben tomar en cuenta a la hora de
calibrar la utilizacin
del proceso de descarbonatacin.
Menor consumo de agua.
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Valor ms bajo de la alcalinidad y de la salinidad total en el
interior
de la caldera de vapor, lo que evita los arrastres y la formacin
de
fangos.
Mayor proteccin y duracin de la propia caldera, sobre todo en
lo
que respecta al proceso de corrosin cuya inhibicin es
favorecido
con el sistema de tratamiento de descarbonatacin.
5.1.4 Desmineralizacin
La desmineralizacin tiene por objetivo eliminar la totalidad de
las sales disueltas
mediante el paso del agua a travs de dos tipos diferentes de
resinas de intercambio
inico: catinica fuerte y aninica fuerte.
Las resinas catinicas fuertes en ciclo cido (RH) permiten
sustituir los cationes calcio,
magnesio y sodio, por el hidrgeno, segn la relacin bsica
siguiente:
RH + NaCI RNa + HCL
Una vez agotadas estas resinas se regeneran normalmente con una
solucin de cido
clorhdrico (HCI) al 15%.
Posteriormente, el agua pasa a travs de una resina aninica
fuerte en ciclo bsico lo
que permite sustituir los aniones sulfato, cloruro, bicarbonato
y nitrato, por el anin
bsico OH, resultando el agua desmineralizada segn la reaccin
siguiente:
ROH + HCI RCI + H2O
La regeneracin de estas resinas una vez agotadas se efecta con
una solucin de
hidrxido de sodio al 4%.
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La desmineralizacin total del agua se emplea generalmente en
calderas de media y
alta presin, calderas de vaporizacin instantnea y en los casos
donde debido a la
excesiva mineralizacin del agua sea necesario reducir la
salinidad total con objeto de
limitar el valor de las purgas de desconcentracin.
5.1.5 Desgasificacin
La funcin de un desgasificador trmico es eliminar el oxgeno y el
anhdrido carbnico
disuelto en el agua de alimentacin de las calderas para prevenir
los problemas de
corrosin.
El principio de funcionamiento de estos equipos se basa en que
la solubilidad de los
gases disueltos en el agua disminuyen exponencialmente cuando
est se encuentra
cerca de su punto de ebullicin a temperatura atmosfrica ver
grafica 1.
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Grafica 1. Coeficiente de solubilidad en agua de los gases en
funcin de la temperatura del agua.
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La torre de los desgasificadores est compuesta por bandejas o
boquillas en las que se
aumenta la superficie del agua alimentada, formando cascadas o
atomizndola para
favorecer la liberacin de los gases disueltos.
El agua que desciende por la torre se calienta hasta la
temperatura de ebullicin
mediante el retorno de condensados que se inyectan en el cabezal
a contracorriente. La
cantidad de vapor alimentada a la base del desgasificador se
controla por una vlvula
reductora de presin, encargada de mantener la presin de
ebullicin del agua ver
figura 23.
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Figura 23. Esquema interno de un desgasificador trmico.
5.2 Principales impurezas contenidas en el agua de aportacin y
sus efectos en el interior de las calderas de vapor.
Sin importar las caractersticas qumicas de las impurezas, son
posibles cuatro casos
distintos:
1. Si la impureza es un slido soluble, aparece en estado de
disolucin o en
solucin con el agua.
2. Si el slido no es soluble en agua, no est en solucin sino en
estado de
suspensin.
3. Aquellas impurezas de naturaleza gaseosa que son parcialmente
solubles estn
en estado de absorcin en el agua.
4. Las soluciones coloidales tienen partculas en suspensin,
entre ellas las que
estn en estado de disolucin y los que estn en suspensin.
5.2.1 Calcio y Magnesio (Ca, Mg).
Las principales sustancias contenidas en las aguas naturales o
aguas brutas son las
sales de calcio y magnesio, normalmente bicarbonatos y
sulfatos.
Para caracterizar un agua se definen tres tipos de dureza:
I. La dureza total del agua, que es la cantidad total de calcio
y magnesio
disuelto.
II. La dureza permanente, que representa la cantidad de sales de
calcio y
magnesio que subsisten en el agua despus de una ebullicin
prolongada.
III. La dureza temporal o transitoria del agua, que est
constituida por las
sales que han precipitado durante la ebullicin.
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5.2.2 Materias en suspensin o coloidales.
Los coloides se definen como aquellas partculas menores de 0.2
micrmetros y
mayores que 0.001 micrmetros (1 micra = 0.001). Las partculas
menores, de 0.001
micras se consideran en solucin.
Sulfatos (SO4)
Contribuyen en aumentar la salinidad total del agua, pudiendo
precipitar sulfato clcico
en el interior de la caldera si el agua no est perfectamente
desenfurecida, originando
una costra muy dura que se adhiera tenazmente a las superficies
calefactoras.
Hierro y cobre (Fe, Cu)
Pueden formar depsitos e incrustaciones, as como corrosiones
localizadas en los
haces tubulares sometidos ms directamente a la radiacin.
5.2.3 Materia orgnica y aceites
El aceite en las calderas constituye una situacin peligrosa. El
aceite es un excelente
aislante de calor y su presencia sobre las superficies expuestas
a altas temperaturas
puede producir serios sobrecalentamientos y daos a la
caldera.
5.2.4 Alcalinidad (TA, TAC)
La alcalinidad define la capacidad de un agua para neutralizar
cidos, en la mayora de
las aguas la alcalinidad est constituida por los iones de
carbonato y bicarbonato.
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Pueden producir un aumento de la densidad y viscosidad del agua,
con el consiguiente
arrastre de gotas de agua por el vapor, as como la corrosin
intercristalina en las zonas
delas calderas que presentan tensiones mecnicas.
La disociacin del carbonato sdico por el calor origina sosa
custica (NaOH), que se
queda en el agua, y cido carbnico, que pasa al vapor y al
condensado, hacindolos
corrosivos.
Calor
Na2 CO3 + N2O 2NaOH + CO2
Total de solidos disueltos (TDS)
Mide el peso total de todas las sustancias disueltas en el agua
sean o no voltiles,
aumenta la densidad y viscosidad del agua, arrastran gotas con
el vapor y favorecen las
incrustaciones.
Cloruros (CI)
Contribuyen a aumentar la salinidad del agua al mismo tiempo que
la hacen corrosiva.
Slice (SiO2)
Este no forma incrustaciones por s misma, sino que, en ciertas
condiciones (alcalinidad
dbil, concentracin y temperatura elevada), la slice puede
precipitar con el sulfato
clcico formando incrustaciones peligrosas por su extraordinaria
dureza y bajo
coeficiente de transmisin al calor, de aspecto vtreo y muy
adherente.
Oxgeno disuelto (O2)
Produce corrosiones de diversa ndole, sobre todo con la formacin
de xido ferroso-
frrico hidratado.
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Procedimientos de arranque de una caldera.
A. Encendido y arranque de la caldera.
1. Abrir la llave de alimentacin de agua a la caldera,
aproximadamente a la
mitad del contenido inicial ver figura 24.
Figura 24.
2. Abrir las llaves de paso de purga y de recirculacin ver
figura 25.
Figura 25.
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56
3. Encender la caldera. El switch se encuentra en el panel
principal de la
caldera.
4. Colocar el interruptor de funcionamiento de la caldera en
Automtico.
5. Comprobar la generacin de voltaje en la ventanilla de la
cmara de
combustin.
6. Esperar de 45 minutos a una hora hasta que se complete el
ciclo de
encendido y apagado automtico de caldera y se genera vapor
dentro de
la misma.
B. Mediciones de temperatura.
Utilizando un pirmetro digital, medir la temperatura de la
carcasa en diferentes
puntos de la misma.
C. Anlisis de Orsat.
1. Utilizando un equipo para anlisis de gases, tomar la bureta
para la
medicin de O2 y colocar su nivel en cero.
2. Comprobar que la bureta tiene lquido para absorcin de O2.
3. Conectar la manguera con bulbo a la bureta de O2.
4. Introducir la terminal metlica de la manguera dentro del
orificio de la
chimenea.
5. Comprimir 10 veces el bulbo de la manguera para sustraer el
gas de la
chimenea.
6. Dar tres vueltas completas a la bureta de medicin.
7. Leer la cantidad de O2 que marca la bureta.
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D. Determinacin de la eficiencia de combustin.
1. Utilizando un termmetro digital, medir la temperatura de los
gases de la
chimenea introduciendo la aguja dentro del orificio de la
chimenea.
2. Utilizando la grfica de eficiencia de combustin, la cual
relaciona la
eficiencia de la combustin con respecto al porcentaje de oxgeno
y de la
temperatura de los gases de chimenea.
Presiones de la caldera
La temperatura y la presin a las cuales opera una caldera tienen
una relacin definida,
segn se muestra en la siguiente tabla:
PUNTO DE EVULLICIN DEL AGUA A DIFERENTES PRESIONES.
TEMPERATURA PRESIN
F C Kg/cm2 PSI
212 100 0 0
300 149 3.7 52
400 204 16 232
500 260 47 666
600 316 108 1529
700 371 217 3080
705 374 225 3200
Tabla 2.
A presin atmosfrica normal, el agua hierve a 100 C (212 F), a
presiones ms altas
se incrementa el punto de ebullicin, alcanzando un mximo de 374
C (705 F) a una
presin de 225 Kg/cm2 (3200 PSI). Arriba de esta temperatura el
agua no puede existir
como lquido.
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5.3 Funcionamiento.
Funcionan mediante la transferencia de calor, producido
generalmente al quemarse un
combustible, el que se le entrega al agua contenida o que
circula dentro de un
recipiente metlico.
En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:
5.3.1 Zona de liberacin de calor u hogar o cmara de
combustin:
Es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o
exterior con respecto al
recipiente metlico.
Interior
El hogar se encuentra dentro del recipiente metlico o rodeado de
paredes refrigeradas
por agua.
Exterior
Hogar construido fuera del recipiente metlico. Est parcialmente
rodeado o sin
paredes refrigeradas por agua. La transferencia de calor en esta
zona se realiza
principalmente por radiacin (llama - agua).
5.3.2 Zona de tubos:
Es la zona donde los productos de la combustin (gases o humos)
transfieren calor al
agua principalmente por conveccin (gases - agua). Est
constituida por tubos dentro
de los cuales pueden circular los humos o el agua.
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6 Anexo fotogrfico
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III
Conclusiones La caldera es un sistema que cumple los principios
de la primera ley de la
termodinmica, ya que la energa utilizada para el calentamiento
del agua proviene de
una combustin. As mismo, la energa que no se pudo utilizar en el
calentamiento del
agua se pierde en forma de calor por radiacin y conveccin, en
los gases de
combustin y agua de purga como conduccin.
La energa no utilizada no se destruye. La caldera es un sistema
que opera bajo lo
establecido por la segunda ley de la termodinmica, menor al 100%
de eficiencia,
debido a distintas prdidas durante el proceso. La ms importante
se debe a la
diferencia de temperaturas entre la superficie de la caldera
(fuente aproximadamente a
55C) y la temperatura del ambiente (sumidero a 23C), lo cual
crea una prdida de
energa en forma de calor.
Para lograr una mayor eficiencia de caldera, se puede utilizar
un combustible que
contenga mayor cantidad energtica, para reducir las prdidas por
purga. Se debe
procurar que la combustin sea completa, ya que de otra forma se
est perdiendo
energa que se podra utilizar para el calentamiento de agua en
caldera.
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IV
Bibliografa.
A. Avallone Eugene, Baumeister III Theodore Manual del Ingeniero
Mecnico
Editorial McGraw- Hill
http://www.artecing.com.uy/pdf/guias_megger/Equipos%20de%20subestaciones.
pdf.
Manual de Operacin y mantenimiento. Calderas fabricadas por
DISTRAL S.A.
para ECOPETROL, Unidad de Balance Barrancabermeja. Serie A-2212.
Tomo I.
http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-basica-calderas-industriales-
eficientes-fenercom-2013.pdf
www.sisman.utm.edu.ec/libros/.../09/Calderas/.../libro%20Calderas.pdf
www.slideshare.net/JorgeSantosLazaro/tipos-de-calderas-industriales
