DEFINICION DE CALDERA

De manera elemental una caldera se puede definir como un recipiente cerrado en el cual el agua se evapora en forma continua por la aplicación de calor por medio de gases. Estos gases generalmente son producto de la quema de un combustible fósil en el horno de la caldera, aunque pueden ser también el producto de un proceso como los gases resultantes de reacciones en las unidades de ruptura catalítica.

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor.Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Básicamente son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de forma cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior circulan los gases de combustión.

Una caldera puede definirse como un recipiente como un recipiente en el que se transfiere la energía de calorífica de un combustible a un liquido. En el caso de vapor saturado, la caldera proporciona también energía calorífica para producir un cambio de la fase de liquido a vapor.

Una caldera es a menudo el equipo mas grande que se encuentra en un circuito de vapor. Su tamaño puede depender de la aplicación en la que se usa. En una instalación grande, donde existen cargas de vapor variable, pueden usarse varias calderas.

Una CALDERA es una máquina diseñada para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, por la cual el fluido, cambia de estado.

CALDERAS PIROTUBULARES

Calderas Pirotubulares. En los primeros diseños, la caldera era simplemente un casco ó tambor con una línea de alimentación y una salida de vapor montado sobre una caja o marco de ladrillos. El combustible era quemado sobre una parrilla debajo del casco y el calor liberado era aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases salieran por la chimenea.

Debido a su gran volumen de agua ,el tiempo que necesita para alcanzar su presión de trabajo , partiendo de un arranque en frío, es considerablemente mayor que el requerido por una caldera acuotubular.

Los diseñadores de calderas muy pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era necesario poner una mayor porción de esa agua en contacto con el calor.

Una manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustión dentro del recipiente o casco de la caldera. Este diseño dio origen a las calderas pirotubulares. Este nombre se debe a que en ellas el calor es transferido desde los gases de combustión, que fluyen por el interior de los tubos, al agua que los rodea.

El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o más pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua está generalmente 2" por encima de la huera de tubos más alta.

Las altas presiones son una de las mayores limitantes de estas calderas. La fuerza que se ejerce a lo largo del tambor es dos veces la fuerza que se ejerce alrededor de la circunferencia. De lo anterior se deduce que para altas presiones y mayores capacidades se necesitarían paredes extremadamente gruesas, lo que las hace antieconómicas.

Aunque su gran capacidad de almacenamiento de agua le da habilidad para amortiguar el efecto de amplias y repentinas variaciones de carga, este mismo detalle hace que el tiempo requerido para llegar a la presión de operación desde un arranque en frío sea considerablemente más largo que para una caldera acuotubular.

Una presión de 250 psig y una producción hasta de 25.000 Ibs/hora son considerados los topes prácticos para este tipo de calderas. Sin embargo, en Europa se construyen unidadesde hasta 30.000 Ibs/hora de producción. Esto las hace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequeña y no se requiera su aplicación en turbinas. Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocés.

De Retorno Horizontal. Son calderas de un bajo costo inicial y de simple construcción, muy usadas en sistemas de calentamiento de edificios y producción de vapor para pequeñas factorías. Consisten de un casco cilíndrico con gruesas pares de 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. Ver figura No. 03.

La caldera está suspendida sobre unos muros de ladrillo en un horno. La parrilla o quemadores están localizados directamente debajo de la parte de enfrente del casco o tambor.

1.3.4 De Horno Interno. Llamada también tipo escocés, la combustión tiene lugar en un horno cilindrico 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 los lados y su parte superior. Ver figura No. 04.

Los gases que salen del horno cambian de dirección en una cámara en el extremo y regresan, recorriendo completamente !a unidad, hasta una caja de humos localizada en el frente. Este tipo de caldera fue muy utilizado en los barcos.

Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño es limitado. Sus dimensiones alcanzan a 5 m de diámetro y 10 m de largo. Se construyen para Flujos máximos de 20.000 Kg/h de vapor y sus presiones de trabajo no superan los 18 Kg/cm2.

Producen vapor saturado. En el primer caso se les instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones de agua. En el caso de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm. sobre los tubos superiores.

Entre sus características se pueden mencionar:

• Sencillez de construcción.• Facilidad de inspección, reparación y limpieza.• Gran peso.• Lenta puesta en marcha.• Gran peligro en caso de explosión o ruptura debido al gran volumen de agua almacenada.

CARACTERISTICAS

Las calderas pirotubulares se usan principalmente para sistemas de calefacción para la producción de vapor requerido en los procesos industriales o como calderas portátiles.

Se construyen en tamaños de hasta unos 6.800 Kg. (15.000 lb) de vapor por hora. La caldera de baja presión esta limitada a 1.05 Kg/cm2 (15 lb/plg2)de presión de vapor, y la caldera de vapor para generación de fuerza , puede operar a una presión de 17.6 Kg/cm2 ( 250 lb/plg2).

La caldera pirotubular se usa generalmente en donde la demanda de vapor es relativamente reducida, comparada con la demanda de las grandes centrales termoeléctricas.

No se utiliza para el accionamiento de turbinas, porque no es convenientemente adaptable a la instalación de súper calentadores.

Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitada y depende del tipo de la caldera ; con el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se eleva rápidamente.

El costo de una caldera pirotubular instalada, es relativamente bajo y considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular de domo.

Y como ofrece condiciones favorables con respecto a sus costos de fabricación, es perfectamente adaptable a la producción estandarizada.

El diseño de la caldera de tubos de humo se basa principalmente en el hogar y en los pasos de los gases a través de los tubos.

Se han desarrollado muchos dispositivos .Los tubos han sido colocados horizontalmente, inclinados y en posición vertical, con uno o más retornos.

La caldera recibe la denominación de caldera de tubos continuos o de tubos de retorno, de acuerdo con la dirección del flujo de los gases. Puede tener un hogar interno, o estar dotada de fogón externo.

El hogar interno puede ser del tipo de tubo recto, localizado dentro del cuerpo cilíndrico y rodeado por paredes de agua, o puede ser del tipo de caja, con el fogón rodeado de una

superficie enfriada por agua, que recibe el nombre de paredes de agua, con excepción de la parte de abajo (piso).

Aplicaciones Industriales de Calderas:

Madera:

• Secaderos de chapa• Prensas• Secaderos de tablón• Fosos de vaporización• Líneas de barnizado• Cabinas de pintura

Detergentes:

• Secaderos de atomización• Autoclaves• Cubas, etc.

Papel y cartón:

• Secaderos• Engomadores• Parafinadoras calandras

Corcho:• Calderas de cocción• Acabado de superficies• Secadero granulado• Curado de aglomerado• Prensas• Encoladoras, etc.Muebles:

• Paneles barnizados• Secaderos• Tratamiento de superficies• Ambientación, etc.

Textil

• Rames de termofijación• Estampadoras• Calandras• Baños de tintes

Betunes y asfaltos:

• Cartón bituminoso• Calentamiento de redes• Calentamiento de masas• Emulsiones, etc.

Caucho:

• Cilindros• Prensa de vulcanizar• Hornos de cocción• Autoclaves, etc.

Química:• Autoclaves• Columnas de destilación• Reactores• Secaderos, etc.

Curtido:

• Producción de agua caliente• Secaderos de vacío• Pigmentado• Producción de vapor, etc.

Conservera:

• Autoclaves• Agua caliente• Aparatos de cocción• Producción de vapor, etc.

Alimenticia:

• Cocinas industriales• Autoclaves• Freidoras industriales• Intercambiadores, etc.

Hostelera:

• Calandras• Lavadoras y secadoras• Calefacción• Agua caliente sanitaria

Metalurgia:

• Desengrase• Galvanizado• Tratamiento de superficies• Secado (túneles), etc.

Plásticos:

• Prensas hidráulicas• Cilindros• Impresoras• Terminofijación, etc.

FUNCIONAMIENTO

El vapor se genera calentando un importante volumen de agua, por medio de los humos producidos durante la combustión del gas o del fuel y circulando en los tubos sumergidos. Esta es la técnica más clásica para la producción de vapor saturado, de agua o de vapor sobrecalentado para una gama de caudales de 160 a 50.000 kg/h (112 à 34.000 kW).La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.

El acceso, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, la entrada de agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.

El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalación.

Ventajas

• Menor costo de fabricación, debido a su simplicidad de diseño.• Se construyen en tamaños relativamente pequeños para su manejo e instalación• Son portátiles• Fácil mantenimiento• Almacenan gran volumen de agua• Soportan fluctuaciones en la demanda de vapor• Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.• Son pequeñas y eficientes.

Desventajas

• Presentan limitaciones para altas presiones• Producción de vapor relativamente reducida• Espacio limitado para la instalación de equipos auxiliares como super calentadores.• Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento

COMBUSTIBLES

Los combustibles más comúnmente usados son:

• Combustibles sólidos:

Carbón de piedra

CarboncilloLeñaBasuras o desperdicio domestico

• Combustibles líquidos:

PetróleosKerosénAlquitrán combustible

• Combustibles gaseosos:

Gas licuado (de petróleo)Gas de alumbrado (de carbón).

CARACTERISTICAS DEL AGUA DE ALIMENTACION

El agua obtenida de ríos, pozos y lagos es denominada agua bruta y no debe utilizarse directamente en una caldera.

El agua para calderas debe ser tratada químicamente mediante procesos de des carbonatación o ablandamiento, o desmineralización total, adicionalmente, según la presión manejada por la caldera, es necesario controlar los sólidos suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material orgánico, gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la caldera sufrirá problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por material particulado, etc.

Objetivos del acondicionamiento del agua:

• Evitar la acumulación de incrustación y depósitos en la caldera.• Eliminar los gases disueltos en el agua.• Proteger la caldera contra la corrosión.• Eliminar el acarreo y retardo (vapor).• Mantener la eficiencia más alta posible de la caldera.• Disminuir la cantidad de tiempo de paralización de la caldera para limpieza.

RIESGOS EN CALDERAS

Aumento súbito de la presión:

Esto sucede generalmente cuando se disminuye el consumo de vapor, o cuando se descuida el operador y hay exceso de combustible en el hogar o cámara de combustión.

Descenso rápido de la presión:

Se debe al descuido del operador en la alimentación del fuego.

Descenso excesivo del nivel de agua:

Es la falla más grave que se puede presentar. Si este nivel no ha descendido más allá del límite permitido y visible , bastará con alimentar rápidamente, pero si el nivel ha bajado demasiado y no es visible, en el tubo de nivel, deberá considerarse seca la caldera y proceder a quitar el fuego, cerrar el consumo de vapor y dejarla enfriar lentamente.

Antes de encenderla nuevamente, se deberá inspeccionarla en forma completa y detenida.

Explosiones: Las explosiones de las calderas son desastres de gravedad extrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto número de personas. La caldera se rasga, se hace pedazos, para dar salida a una masa de agua y vapor; los fragmentos de la caldera son arrojados a grandes distancias.

El estudio de las causas de las explosiones Ha permitido determinar que estas se deben a:

• Construcción defectuosa• Falla de los accesorios de seguridad, válvula de seguridad que no habrán oportunamente o no son capaces de evacuar todo vapor que la caldera produce.• Negligencia, descuido o ignorancia del operador.• Mezcla explosiva en los conductos de humo.• Falta de agua en las calderas (la más frecuente)• Incrustaciones masivas.

CALDERAS PIROTUBULARES HORIZONTALES (Partes Principales)

La mayor parte de las calderas tanto de aplicación industrial como de aplicación marina que son usadas actualmente son del tipo horizontal.

Las características de este tipo de calderas son bastante parecidas, a continuación detallaremos sus partes principales:

EL CUERPO O CASCO

El cuerpo de la caldera esta compuesto básicamente por un cilindro de plancha de acero en el cual se encuentra formando parte integral el hogar y los tubos de fuego. La línea del nivel de agua se fija generalmente en un punto localizado a no menos de 5 cm. Arriba del borde de la hilera superior de los tubos de fuego, o de la placa de la corona. El espacio comprendido arriba del nivel de agua es llamado cámara de vapor. El casco de una caldera de tubos horizontales con piernas de agua, comprende una placa de extensión de la envolvente, prolongada por las placas que forman la caja de fuego o el hogar.

EL HOGAR

El hogar constituye la parte de la caldera donde se realiza la combustión de la mezcla aire, suministrado por un ventilador, y el combustible pulverizado a través de un quemador. El hogar en las calderas pirotubulares va localizado según el tipo de fabricante, este puede ser centralizado en unos casos y un poco desplazado hacia la base o parte inferior de la caldera en otros. El hogar de las calderas pirotubulares lleva ladrillos refractarios los cuales van pegados entre sí con cemento refractario, todos estos materiales deben ser resistentes a las altas temperaturas que normalmente se producen en el hogar de toda caldera por causa de la combustión. Este material refractario constituye un recubrimiento interior del hogar, para evitar que estas altas temperaturas alcancen y destruyan la cubierta o carcaza de la caldera.

LA CAMARA DE COMBUSTION

En las calderas pirotubulares modernas se considera que esta forma una sola parte con el hogar, sin embargo en las calderas Scotch, se denomina así la parte posterior del hogar. Es decir en otras palabras al fondo posterior del hogar y en lo que a esta parte concierne existen ciertas diferencias en el diseño de algunas calderas. Es así que se denominan "calderas de fondo húmedo" a aquellas que tienen su parte posterior enfriada por la misma agua de la caldera; en este grupo encontramos a las calderas Scotch, Kewanee y a las Distral.

Por otra parte, se denominan "calderas de fondo seco" a aquellas que tienen su parte trasera o posterior en contacto con los gases provenientes de la combustión realizada en el hogar, en este grupo encontramos a las calderas York Shipley y Cleaver Brooks.

Se puede observar que los tubos de las calderas con fondo seco son todos de la misma longitud, no así los tubos de la caldera con fondo húmedo que son de dos longitudes diferentes. Por otra parte cabe notar que la tapa de registro de la caldera de fondo seco ubicada en la parte trasera es de mayor dimensión que la caldera de fondo húmedo, lo cual facilita su acceso para inspección o limpieza.

TUBOS DE FUEGO Y SU NUMERO DE PASOS

Los tubos de fuego son construidos de acero de bajo porcentaje de carbono. La forma como se encuentren estos distribuidos definirá él numero de pasos o retornos de gases circulando por el interior de los mismos.

Todos los tubos se encuentran soportados y unidos en sus extremos a placas o espejos, en los cuales van expandidos, biselados y pestañeados; o soldados según sea el tipo y marca de la caldera.

Los tubos de fuego son regularmente de 51 mm a 102 mm (2"a 4") de diámetro, y su selección depende de la perdida de tiro y del tipo de combustible a usar.

Frecuentemente se aumenta el diámetro en 25 mm por cada 1.22 m de aumento en la longitud de los tubos. Esta relación es variable. Las calderas portátiles con chimeneas cortas, requieren diámetros grandes en los tubos; las que van dotadas de ventiladores de tiro, pueden llevar tubos de menor diámetro.

Cabe indicar que en las calderas de tres pasos, se obtiene la máxima transferencia de calor en el segundo y tercer paso osea en los tubos de fuego, ya que los mismos representan la superficie de calentamiento principal de esta máquina térmica.

En las calderas de cuatro pasos, el 40% del calor es transferido en el hogar y el 60% es transferido en los otros tres pasos de los gases a través de los tubos.

En lo referente a la superficie de calefacción de las calderas pirotubulares , se puede decir en general que todas se encuentran diseñadas tomando como base de 4 a 5 pies cuadrados de calefacción por caballo caldera (bhp). Esto significaría que una caldera que tenga 750 pies cuadrados de superficie de calefacción tendrá aproximadamente 150 caballos caldera de potencia calorífica.

PUERTAS O TAPAS DE REGISTRO

Las puertas de acceso a los tubos se encuentran localizadas frente a los mismos; las puertas para la limpieza se encuentran en las cajas de humo y otras partes convenientes. Estas puertas son necesarias para remover el hollín y para el cambio de tubos.

Para el acceso se cuenta con registros de hombre, (Manhole) y para la limpieza, desfogue de sedimentos y lodos, así como para la inspección de las partes en contacto con el agua, se dispone de registros de mano (Handhole) y orificios con tapones roscados.

Los grifos de drenaje colocados en las partes inferiores, se conocen como grifos de purga. El vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la caldera por una o varias boquillas o conexiones roscada.

CHIMENEA

La chimenea es el ducto que conduce por medio de un tiro los gases producto de la combustión hacia afuera de la caldera.

El tiro natural se crea cuando la presión barométrica en un punto determinado es inferior al que existe en la región adyacente, en otras palabras se entiende por tiro natural, la diferencia de presiones originada por la altura de la chimenea y la mayor temperatura de los gases de combustión con respecto al medio ambiente, dando como resultado una corriente de aire desde el hogar hacia el exterior de la caldera.

En cambio el tiro forzado significa introducir aire a presión al hogar. Utilizando ventiladores y el tiro inducido por su parte significa succionar los gases de combustión a través de ventiladores instalados en la chimenea, para sacarlos hacia el exterior.

FABRICANTES

Cleaver Brooks Spirax Sarco Bosch Hurst Boiler Co. Continental Ltda. Attsu Termica S.L. Viessmann Werke & Co. Babcock Wanson Brox Boiler & Burner Company Pirobloc Byworth Boilers SAACKE Clayton Industries OLMAR (Grupo Olmar) AB & Co. TT Boilers Siat Italia S.R.L.

AESYS