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Calderas y accesorios

1Contenido

Generalidades sobre calderas 3Combustibles para calderas 5

Carbn 5Petrleo 5Gas 6Combustible de residuos 6Qu combustible? 6

Calderas pirotubulares 7Caldera Lancashire 8Caldera econmica 10Caldera compacta 12Caldera de llama reversible 13

Limitaciones de presin y produccin de las calderas pirotubulares 14Limitaciones de presin 14Limitaciones de produccin 15

Calderas acuotubulares 16Distribuciones alternativas de calderas acuotubulares 17Caldera con caldern longitudinal 18Caldera con caldern cruzado 19Caldera de tubos curvados o Stirling 20Vapor sobrecalentado 21

Rgimen de caldera 22Rgimen 'Desde y hasta' 22Ejemplo 23Potencia en kW 24Boiler horse power (BoHP) 24

Eficiencia de la caldera 25Eficiencia y carga de caldera 25Eficiencia en la combustin 25La eficiencia comienza en el tanque de alimentacin de la caldera 26

2Accesorios de la caldera 27Placa de instalacin 27Vlvulas de seguridad 28Normativas de vlvulas de seguridad (UK) 29Vlvulas de interrupcin para calderas 29Vlvulas de retencin 30Vlvulas de purga de fondo 31Manmetros 32Indicadores de nivel y sus accesorios 34Protectores de los indicadores de nivel 34Mantenimiento 35Cmaras de control de nivel 36Controles de nivel instalados dentro de la caldera 38Eliminadores de aire y rompedores de vaco 39

Lneas de suministro 40Salida de vapor 43

Arrastres 43Calentamiento 43Como evitar que una caldera presurice a otra 45Normativas (UK) 46Asegurar una correcta distribucin del vapor 47

Informacin adicional 48

3Generalidades sobre calderas

Las calderas son la parte ms importante del circuito de vapor,despus de todo, es donde se crea el vapor. Una caldera puededefinirse como un recipiente en el que se transfiere la energa decalorfica de un combustible a un lquido. En el caso de vapor saturado,la caldera proporciona tambin energa calorfica para producir uncambio de la fase de lquido a vapor.

Histricamente, la sala de calderas de vapor siempre ha exigido a unnivel alto de vigilancia manual para proporcionar la seguridadnecesaria para la planta. La manera actual de pensar exige que estaplanta trabaje eficazmente, y se puede hacer igualando lo mximoposible el suministro a la demanda. En algunos casos, esto puedesignificar calderas que trabajan continuamente, o en otros, paradasdurante intervalos largos o cortos. De cualquier modo, la tecnologamoderna permite al ingeniero de la planta escojer el rgimen de lacaldera confiadamente para ajustarse mejor a su aplicacin, consistemas de control capaces de proporcionar el grado requerido deeficacia, integridad y seguridad.

Una caldera es a menudo el equipo ms grande que se encuentra enun circuito de vapor. Su tamao puede depender de la aplicacin enla que se usa. En una instalacin grande, donde existen cargas devapor variables, pueden usarse varias calderas.

Fig. 1 Caldera tpica

Vlvula deseguridad Vlvula salida

de vapor

QuemadorTubohogar

4Hay calderas de vapor modernas de todos los tamaos para satisfaceraplicaciones grandes y pequeas. Generalmente, donde se requierems de una caldera para afrontar la demanda, es econmicamenteviable centralizar la ubicacin de la caldera en un lugar de la planta,ya que el coste de la instalacin y de funcionamiento pueden sersignificativamente menores que una planta descentralizada. Porejemplo, la centralizacin ofrece los siguientes beneficios sobrevarias calderas independientes:

Eleccin de combustible y tarifas.

La duplicacin de equipo reduce el coste de los recambios.

La recuperacin de calor es fcil de llevar a cabo para mejorrendimiento.

Reduccin en la vigilancia manual que permite al personal realizarotras tareas.

Dimensionado econmico de la caldera de planta para satisfaceruna demanda variable.

La supervisin de emisiones se controlan y monitorizan fcilmente.

Los protocolos de seguridad y eficacia se controlan y monitorizanfcilmente.

Se deben seguir unas pautas estrictas para hacer trabajar unacaldera. Debe recordarse que una caldera de vapor es un recipientepresurizado que contiene agua caliente a temperaturas superiores alos 100C. Por consiguiente, son necesarias las normativas y equiposde seguridad e inspecciones frecuentes de la caldera que se llevana cabo para examinar el estado fsico de la caldera. El asunto deseguridad de la caldera se examinar ms detalladamente en unaseccin posterior.

5Combustibles para calderas

Carbn

Petrleo

Los tres tipos ms comunes de combustible que se usan en lascalderas de vapor son: carbn, fuel-oil y gas. Sin embargo, tambinse usan residuos industriales o comerciales en ciertas calderas yelectricidad para las calderas de electrodos. Normalmente, el tipo decombustible se elige dependiendo de cual tiene la tarifa ms atractiva.

Carbn es el trmino genrico dado a una familia de combustiblesslidos con un alto volumen de carbono. En esta familia, hay variostipos de carbn, cada uno relacionado con la fase de formacin delcarbn y el volumen de carbono. Estos estados son;

Turba.

Lignito.

Carbn bituminoso.

Semi bituminoso.

Antracita.

Como combustible de la caldera, se suele usar el bituminoso y laantracita.

Un promedio razonable es: para producir aproximadamente 8 kgde vapor se ha de quemar 1 kg de carbn.

El Fuel-oil que se usa como combustible en la caldera provienedel residuo producido de petrleo crudo despus de que se hadestilado para producir productos ms ligeros como el aceite demotor, parafina, queroseno, diesel y gasoil. Hay varios gradosdisponibles, cada una adecuado para los diferentes tipos decalderas, los grados son los siguientes:

Clase D: Gasoil.

Clase E: Fuel-oil ligero.

Clase F: Fuel-oil medio.

Clase G: Fuel-oil pesado.

Puede producirse aproximadamente 15 kg de vapor por kg deFuel-oil o 14 kg de vapor por litro de Fuel-oil.

6Gas

Combustible deresiduos

Qu combustible?

El gas es la forma de combustible de caldera que es fcil quemarcon poco exceso de aire. Los gases combustibles estndisponibles en dos formas diferentes;

Gas natural. ste es gas que se ha producido (de manera natural)bajo tierra. Se usa en su estado natural, salvo la eliminacin deimpurezas, y contiene metano en su forma ms comn.

El gas licuado de petrleo (GLP). stos son gases que seproducen al refinar el petrleo y se almacenan bajo presin en unestado lquido hasta que se vayan a usar. Las formas mscomunes de GLP son propano y butano

1 Termia de gas producir aproximadamente 42 kg de vapor enla salida de una caldera a 10 bar r de presin, con una eficacia dela caldera del 80%.

sta puede ser una fuente barata de combustible primario paralas calderas. Antiguamente, las calderas de combustible deresiduos podan quemar desechos derivados del proceso comocortezas de madera o el aceite sucio. La legislacin actual hacedifcil que las calderas renan los requisitos de emisionesnecesarios. Ahora es ms normal que el combustible de residuossea quemado como parte de un paquete de energa total. Unejemplo sera un hospital quemando los residuos en un incineradorde gas donde los gases calientes mezclados se usaran paraalimentar una planta productora de vapor, probablemente comoparte de un proceso de CHP.

La eleccin de que combustible usar para alimentar una calderadepende principalmente de la tarifa de cada tipo de combustible.Hay calderas qu pueden utilizar nicamente uno de loscombustibles anteriores o unidades que pueden usaralternativamente dos tipos de combustible (fuel-oil o gas). Estoser valioso para el operador que alterna combustibles diferentesdependiendo de cual tiene la tarifa ms baja. Se puede ahorrarms utilizando un suministro de gas interruptible como elcombustible primario, con fuel-oil ligero como alternativa.

7Calderas pirotubulares

Fig. 2 Calderas con cmara seca

Las calderas pirotubulares hacen pasar el calor a travs de los tubosen la caldera que a su vez transfieren calor al agua de la caldera queles rodea. Hay varias combinaciones diferentes de distribucin detubos para las calderas pirotubulares dependiendo del nmero depases que har el calor del hogar de la caldera antes de descargarse.Una disposicin tpica puede verse en la figura 2 qu muestra laconfiguracin de una caldera de dos pasos.

Las figuras 2 y 2a nos muestran los dos mtodos en que se invierte elcalor del hogar para fluir a lo largo del segundo paso.

La figura 2 muestra una caldera de cmara seca donde el flujo de calorse invierte en una cmara refractaria en la parte externa de la caldera.

Un mtodo ms eficaz de invertir el flujo de calor es a travs de unacaldera de cmara hmeda como muestra la figura 2a. La cmara deinversin est completamente dentro de la caldera y permite unamayor rea de transferencia de calor, as como permite calentar elagua en el punto de la caldera donde el calor del hogar ser ms altoen la pared del extremo de la cmara.

Es importante saber que los gases de combustin deben enfriarseantes de alcanzar la cmara de inversin como mnimo a 420C paralas calderas de acero normales y a 470C para las calderas dealeacin de acero. Temperaturas superiores a estas causarnsobrecalentamiento y grietas de las planchas en el extremo delhogar. El fabricante de la caldera observar que estas limitacionesestn dentro de su criterio.

Se han desarrollado varios tipos diferentes de calderas pirotubularesque se describirn ahora con ms detalle.

Cmarahmeda

Cmaraseca

Fig. 2a Calderas con cmara hmeda

Tubohogar

Tubohogar

Gases decombustin

Primerpaso

Segundopaso

Tiro Tiro

Gases decombustin

Segundopaso

Primerpaso

8Caldera Lancashire

La caldera consista bsicamente de un cuerpo de acero grande,normalmente de 5 a 10 m de longitud, a travs del cual pasandos tubos de gran dimetro llamados tubos Hogar. Una parte decada tubo estaba corrugado para soportar la expansin cuandola caldera se calienta y para evitar hundimiento del tubo Hogarbajo presin. El hogar est instalado en la entrada de cada tuboen el extremo delantero de la caldera. El hogar poda quemargas, fuel-oil o carbn.

Los gases calientes de la combustin pasan del hogar a travsde los tubos corrugados de gran dimetro. El agua de la calderarodea estos tubos y este calor se transfiere al agua.

La caldera estaba fija en una estructura de ladrillos diseadapara mejorar la eficacia trmica. Los gases calientes, con latemperatura algo reducida, (pero todava bastante calientes),partan de la parte trasera de la caldera y se desviaban pordebajo de la caldera a travs de un conducto enladrilladotransfiriendo el calor al agua a travs del fondo del cuerpo de lacaldera. En la parte delantera de la caldera el flujo de gas calientese divida en dos y se desviaba para pasar por los laterales de lacaldera por medio de dos conductos construidos de ladrillos.Estos dos conductos laterales se encontraban en la parte traserade la caldera y pasaban a la chimenea.

Segundo paso

Tubo hogar Primerpaso

Tiro inferior

Tercerpaso

Fig. 3 Caldera Lancashire

Entre 5 - 10 metros de longitud

Entre 2 -3metros dedimetro

Tercerpaso

Tiro inferior

En 1844 William Fairbairn desarroll la caldera de Lancashire deuna caldera Cornish de Trevithick de un solo tiro. Era una calderapirotubular. Hace mucho tiempo que se han dejado de usar y secree que pocas existirn hoy en el mundo.

9Estos pasos procuraban sacar la mxima cantidad de energa delos gases calientes antes de que saliesen a la atmsfera.

El flujo del gas, despus del tercer paso, pasa a travs deleconomizador en la chimenea. El economizador calienta el aguade alimentacin, resultando en una mejora en la eficacia trmica.Haban varios tamaos de caldera de Lancashire:

El tamao ms pequeo tena un cuerpo de caldera deunos 5,5 m de longitud por unos 2 m de dimetro.

La mayor tena unos 10 m de longitud por 3 m de dimetro.

La capacidad de evaporacin de una caldera depender de sudiseo, tipo de combustible y de hogar y la calidad delcombustible. Para las calderas Lancashire de mayor tamao sepoda obtener una evaporacin de unos 6 500 kg de vapor/h. Lasms pequeas tenan una evaporacin de aproximadamente1 500 - 2 000 kg de vapor/h.

La caldera Lancashire podra trabajarse a una presin deaproximadamente 17 bar r. Tenan un volumen grande de agua yde mucha energa retenida, por tanto poda afrontar con facilidaddemandas repentinas de vapor (como el arranque y parada de lamaquinaria de minas).Este gran volumen de agua tambin signific que no era tancrtico el control de nivel y de calidad del agua como en lascalderas modernas.

Uno de las desventajas de la caldera Lancashire era el calentadoy enfriado repetido de la caldera, con la resultante expansin ycontraccin, alterando la estructura de ladrillos y los tubos. Estoproduca la infiltracin de aire que perturbaba el tiro del hogar.

Tambin, ahora seran muy caros de fabricar, debido a las grandescantidades de materiales usados y la mano de obra necesariapara la construccin con ladrillos.

La introduccin de la caldera pirotubular de multi-tubo (siendoms pequea y ms eficaz) hizo que desapareciera la caldera detipo Lancashire.

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Los tamaos de la caldera econmica de doble circuito estabancomprendidos entre unos 3 m de longitud y 1,7 m de dimetrohasta unos 7 m de longitud y 4 m de dimetro.

La evaporacin era de unos 1 000 kg/h de vapor hasta unos 15 000kg/h de vapor.

Un desarrollo ms extenso de la caldera econmica fue la creacinde una caldera de cmara hmeda de tres pasos que es laconfiguracin que usamos hoy en da. En la Figura 5 una calderaeconmica de tres pasos se muestra.

Es una mejora de la caldera Lancashire. Tiene un cuerpo exteriorcilndrico con dos tubos hogar de gran dimetro en los que estnmontados los hogares. Los gases calientes del tubo hogar pasan ala parte trasera de la caldera hasta una pared de ladrillos (cmaraseca) y se desva a travs de varios tubos del pequeo dimetrocolocados por encima del tubo hogar de gran dimetro. Estostubos de pequeo dimetro presentan una superficie grande decalentamiento del agua. Los gases del tubo hogar pasan a la partedelantera de la caldera y luego a la chimenea con un ventiladorque induce el tiro.

La caldera econmica de doble circuito tiene slo la mitad de tamaoque la equivalente caldera Lancashire y tiene mayor eficacia trmica.

Caldera econmica

Fig. 4 Caldera econmica de doble circuito

Cmaraseca

Chimenea

Primer paso

Segundo paso

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Los datos de transferencia de calor tpicos para una caldera econmicade tres circuitos y cmara hmeda pueden verse en la Tabla 1

Transferencia de calor en una caldera de cmara humeda de tres pasos

Area de tubos Temperatura Proporcin del total detransferencia de calor1er paso 11 m 1600 C 65 %2do paso 43 m 400 C 25 %3er paso 46 m 350 C 10 %

Tabla 1

Fig. 5 Caldera econmica de tres pasos

Segundopaso

Tubo hogarPrimer paso

Cmarahmeda

ChimeneaTercer paso

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Fig. 6 Caldera compacta tpica

Tubos segundo paso

Tubo hogar

Tubos tercerpaso

Caja de humos

Caldera compacta La mejora de materiales y los procesos industriales signific quems tubos podan acomodarse dentro de la caldera. En el principiode su desarrollo la caldera bsica era larga y requera una sala decalderas grande. Se fuerzan a los gases calientes para que pasenadelante y atrs por una serie de tubos, las calderas se disearonpara ser ms cortas y se mejor la tasa de transferencia de calor. Lacaldera compacta multi-tubo moderna es el ltimo paso de esteproceso evolutivo.

La caldera compacta se llama as porque viene como un paquetecompleto. Una vez colocada en su sitio slo necesita las tuberas devapor, agua y de purga de fondo, suministro de combustible yconexiones elctricas para que pueda trabajar.Estas calderas son clasificadas por el nmero de circuitos - elnmero de veces que los gases calientes de la combustin pasan atravs de la caldera. La cmara de combustin se considera como elprimer circuito. La caldera ms comn es una tres circuitos como lamostrada en la Figura 6 con dos juegos pirotubulares y la descargade gases por el extremo de la parte trasera de la caldera.

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sta es una variante de la caldera convencional. La cmara decombustin tiene forma de dedal y el quemador lanza la llamapor el centro. La llama dobla atrs dentro de la cmara de lacombustin hacia el frente de la caldera. Los tubos de humosrodean al dedal y pasan los gases de la combustin a la partetrasera de la caldera y la chimenea.

Caldera de llamareversible

Chimenea

Hogar enforma dededal

Llama delquemador

Fig. 7 Caldera tpica de llama reversible

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Limitaciones de presin y produccinde las calderas pirotubulares

Limitaciones depresin

Cuando se sueldan las chapas y la caldera se presuriza, el cuerpotendr una seccin transversal redonda. Cuando la caldera se para,los chapas volvern a la forma de cuando se curvaron. Esto puedecausar grietas de fatiga que pueden presentarse a cierta distancia delas soldaduras del cuerpo. Esto es un punto de preocupacin para losinspectores de calderas, que peridicamente pedirn que se retiretodo el aislamiento de la caldera y usarn una plantilla para determinarla exactitud de la curvatura del cuerpo de la caldera.

Las tensiones que pueden imponerse en la caldera estn limitadas porlas Normativas. La tensin mxima estar alrededor de la circunferenciadel cilindro. Se le llama tensin de Circunferencia. El valor de estatensin puede calcularse usando la ecuacin:

Presin de trabajo de la caldera x Dimetro interior de la caldera 2 x Grosor del material de la calderaPor tanto podemos deducir que la tensin aumenta si aumenta eldimetro. Para compensar esto, el fabricante de calderas usar unachapa ms gruesa. Sin embargo, esta chapa ms gruesa es msdura de curvar y puede necesitar eliminar las tensiones internas.Uno de los problemas en la fabricacin de una caldera es curvar lachapa del cuerpo. Las curvadoras, como muestran las Figuras 8 y 9, nopueden curvar los extremos de la chapa y, por tanto, estos quedanplanos.

Fig. 8 Curvadora de chapas del cuerpo de caldera

Los rodillos B y C estn motorizadospara alimentar la chapa a travs de los rodillos.

El rodillo A est ajustado haca abajo para reducir el radio de la curvatura

Puntos de fatiga

Fig. 9 Puntos de fatiga del cuerpo de caldera

B CAChapa

Tensin de =Circunferencia

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Limitaciones deproduccin

Este problema, obviamente, es de mayor preocupacin paracalderas que experimentan muchas paradas, paradas todas lasnoches y puestas en marcha todas las maanas.

Tambin debe tomarse en cuenta que la transferencia de calor atravs de los tubos del hogar es por conduccin, y esa chapagruesa no conduce el calor tan rpidamente como la chapa fina.Esto es importante en particular en el Tubo hogar donde latemperatura de la llama puede alcanzar los 1 800C, y donde elcalor tiene que ser transferido muy rpidamente para evitar que sesobrecaliente y se hunda el tubo hogar con los consecuentesefectos desastrosos. El lmite prctico para el grosor del tubohogar est entre 18 mm y 20 mm, significando un lmite prctico depresin para las calderas pirotubulares de alrededor de 27 bar.

Como se mencion anteriormente, se fabrican calderaspirotubulares como unidades compactas con todo el equipo auxiliaren su lugar. La caldera necesita ahora que la transporten al lugary la caldera ms grande que se puede transportar por carretera esde alrededor de 27.000 kg/h.

Si se requieren ms de 27.000 kg/h, entonces se usan instalacionesde varias calderas. Que tiene la ventaja de proporcionar mayorseguridad de suministro y mejora el rendimiento de la planta.Calderas con presiones y rendimientos superiores a 27 bar r y 27toneladas/h respectivamente, se fabrican de una manera diferente.En este caso, el agua de la caldera se contiene y circula dentro detubos, lo opuesto a la caldera pirotubular, donde los gases de lacombustin circulan dentro de los tubos. A las calderaspirotubulares se les llama a menudo calderas con tubos de humo,mientras que las calderas acuotubulares tienen mejoresprestaciones para presiones y rendimientos superiores.

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Las calderas acuotubulares difieren de las calderas pirotubularesen que el agua circula dentro de los tubos con la fuente de calorrodeandolos. Esto significa que pueden usarse presiones ms altasporque el dimetro del tubo es significativamente ms pequeo queel cuerpo en la caldera pirotubular, y por consiguiente la tensincircunferencial tambin es significativamente menor.

Las calderas acuotubulares suelen ser consideradas para altosrendimientos de vapor, para presiones altas o para vapor recalentado.Para la mayora de aplicaciones industriales y comerciales, unacaldera pirotubular es a menudo la ms apropiada. Slo es necesariousar una caldera acuotubular si se requiere un rendimiento individualsuperior a 27.000 kg/h o presiones superiores a 27 bar o temperaturasde vapor superiores a 340C. La razn es que para un rendimientodado, las calderas acuotubulares son de construccin ms costosaque las calderas pirotubulares compactas.

Sin embargo, por todo el mundo, las calderas acuotubulares compitencon calderas pirotubulares para tamaos inferiores a 270 bar r. Paradarnos una idea de la diversidad de calderas acuotubulares, lasunidades varan entre aproximadamente 2.000 kg/h hasta las de3.500.000 kg/h y superiores que impulsan las centrales elctricas.

Las unidades ms pequeas pueden fabricarse y entregarse al sitioen una pieza. Las unidades ms grandes generalmente se fabricanen secciones y se transportan al sitio para un ensamblaje final.Las calderas acuotubulares trabajan con el principio de circulacinde agua. ste es un asunto que merece la pena estudiar antes dever los diferentes tipos disponibles de calderas acuotubulares. Elsiguiente diagrama nos ayudar para explicar esta teora.

Fig. 10 Configuracin de caldera acuotubular

Caldern devapor o domo

superior

Vapor

Agua

Tubobajada

Tubosubida

Calor

Calderas acuotubulares

Caldern delodos o domo

inferior

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El agua de alimentacin fra se introduce en el caldern de vapory baja por el tubo de bajada hasta el caldern de lodos, debido aque tiene una densidad superior a la del agua caliente. Sudensidad disminuye cuando pasa por el tubo de subida, dondese calienta formando burbujas de vapor. El agua caliente y lasburbujas de vapor pasan al caldern de vapor una vez ms,donde el vapor se separa del agua.

Sin embargo, cuando la presin en la caldera acuotubularaumenta, se reduce la diferencia entre la densidad del agua y elvapor saturado, por consiguiente hay menos circulacin. Paramantener el mismo nivel de rendimiento de vapor segn aumentala demanda de presin, debe aumentarse la distancia entre elcaldern ms bajo y el caldern de vapor.Las siguientes disposiciones trabajan con los mismos principiosque otras calderas acuotubulares y estn disponibles concapacidades de 5.000 kg/h a 180.000 kg/h.

Distribuciones alter-nativas de calderas

acuotubulares

Fig. 11 Calderas acuotubulares alternativas

Tipo 'D'

Tipo 'O'Tipo 'A'

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La caldera con caldern longitudinal era el modelo original de lacaldera acuotubular que trabaja con el principio de temperatura ydensidad de agua (ver la Figura 12).El agua de alimentacin fra entra en un caldern colocadolongitudinalmente sobre la fuente de calor. El agua fra baja poruna tubera de circulacin por la parte trasera a unos tubosinclinados que son calentados. Segn aumenta la temperaturade agua y hierve, su densidad disminuye haciendo que circule elagua caliente y el vapor por las tuberas inclinadas de la tuberade circulacin delantera entrando de nuevo al caldern. En elcaldern, las burbujas de vapor se separan del agua produciendoel vapor para la planta.Las capacidades tpicas para las calderas con caldern longitudinalvan de 2.250 kg/h a 36.000 kg/h.

Caldera con caldernlongitudinal

Fig. 12 Caldera tpica con caldern longitudinal

Agua

Vapor

Chimenea

Quemador

Agua de alimentacin fra

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Caldera con calderncruzado

La caldera con caldern cruzado es una variante de la calderacon caldern longitudinal en la que el caldern se pone cruzado ala fuente de calor como muestra la Figura 13. El caldern cruzadofunciona con el mismo principio que la del caldern longitudinalslo que logra una temperatura ms uniforme en el caldern. Sinembargo hay el riesgo de daos debido a la circulacindefectuosa con demandas altas de vapor, ya que pueden habercorrosin en los tubos superiores si se secan.

La caldera con caldern cruzado tambin tiene la ventaja depoder utilizar un nmero mayor de tubos inclinados debido a suposicin cruzada.

Las capacidades tpicas para una caldera de caldern cruzadovan de 700 kg/h a 240 000 kg/h.

Quemador Gases decombustin

Agua dealimentacin

Salida devapor

Fig. 13 Una caldera tpica con caldern cruzado

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Una mayor evolucin de la caldera acuotubular fue la caldera detubos curvados o Stirling, mostrada en la Figura 14. De nuevotrabaja con el principio de la temperatura y densidad de agua,pero utiliza cuatro calderines en la siguiente configuracin.

El agua de alimentacin fra entra en el caldern izquierdo superior,y baja hacia el ms bajo, o caldern de agua, debido a una mayordensidad. El agua se calienta dentro del caldern de agua y lastuberas que une a los otros dos calderines superiores y seproducen las burbujas de vapor que suben a los calderinessuperiores produciendo el vapor para la planta.

El tubo curvado o la caldera de Stirling permite una superficiegrande para la transferencia de calor y estimula la circulacinnatural del agua.

Caldera de tuboscurvados o Stirling

Fig. 14 Caldera con tubos curvados

Quemador

Salida de vapor

Caldern de agua

Agua dealimentacin

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El vapor producido a la salida de una caldera pirotubular o delcaldern de vapor de una caldera acuotubular slo puede servapor saturado. La caldera acuotubular se usa a menudo paraproducir vapor sobrecalentado pasando el vapor saturado delcaldern de vapor a travs de otro juego de tubos dentro del readel hogar principal, donde se calienta ms all de su temperaturade saturacin convirtindolo en vapor sobrecalentado.

Donde se requiere vapor sobrecalentado es esencial tener unacaldera que tenga tubos para el sobrecalentado.

Vaporsobrecalentado

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Rgimen de caldera

Rgimen'Desde y hasta'

Los tres tipos de regmenes de la caldera usados normalmente son:

Rgimen desde y hastaPotencia en kWBoiler horse power (BoHP)

El rgimen usado ampliamente por los fabricantes de calderaspirotubulares es el desde y hasta que proporciona un rgimen quemuestra la cantidad de vapor en kg/h que la caldera puede creardesde y hasta 100C a presin atmosfrica. Cada kilogramo devapor habra recibido 2 258 kJ de calor en la caldera.

Hay calderas que trabajan con temperaturas del agua de alimentacininferiores a 100C. Por consiguiente la caldera tiene que proporcionarla entalpa para que el agua alcance el punto de ebullicin. La mayorade las calderas trabajan a presiones superiores a la atmosfrica, portanto la temperatura de la caldera ser superior a 100C. Esto requiereentalpa adicional de saturacin del agua. Cuando aumenta la presinde la caldera, la temperatura de saturacin aumenta y necesita msentalpa antes de que el agua de alimentacin alcance la temperaturade ebullicin. Estos dos efectos reducen la produccin real de vaporen la caldera ya que hay menos combustible disponible para producirvapor. En el grfico de la Figura 15 estn trazadas las temperaturasdel agua de alimentacin respecto a la cifra de porcentaje de desde yhasta para trabajar a presiones de 0, 5, 10 y 15 bar r.

Fig. 15 Grfico 'Desde y Hasta'

15 bar r10 bar r

0 bar r

5 bar r

150140

120

100

80

60

40

20

080 85 90 95 100 105 110

% de rgimen 'Desde y Hasta'

Tem

pera

tura

del

agu

a de

alim

enta

cin

C

68

23

Ejemplo

Se puede ver el uso del grfico desde y hasta, figura 15, en elsiguiente ejemplo que demuestra como se calcula el rendimiento realde una caldera.

Una caldera tiene un rgimen desde y hasta de 2 000 kg/h y trabaja a 15bar r mientras que la temperatura del agua de alimentacin es de 68C.

Usando el grfico,

El porcentajergimen desde y hasta = 90 %Por consiguiente el rendimiento = 2 000 kg/h x 90 %

Rendimiento de la caldera = 1 800 kg/h

El uso de la siguiente ecuacin dar un factor que nos dar el mismoresultado...

A = Entalpa especfica de evaporacin a presin atmosfrica

B = Entalpa especfica del vapor a la presin de trabajoC = Entalpa especfica del agua a la temperatura del agua de alimentacin

APor consiguiente; Factor = B - C

Usando la informacin anterior en esta ecuacin nos dar el siguientefactor

Factor = 2257 kJ/kg2 794 kJ/kg - 284,6 kJ/kg

Factor = 0,899

Rendimiento de la caldera = 2 000 kg/h x 0,899 = 1 799 kg/h

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Potencia en kW Algunos fabricantes darn la potencia de la caldera en kW. Paraestablecer el caudal evaporado, es necesario saber el calor quecontiene el agua de alimentacin y la entalpa total del vapor producidopara establecer cunta energa se agregar a cada kg de agua.

Por ejemplo, una caldera de 3 000 kW, trabaja a 10 bar r con unatemperatura del agua de alimentacin de 50C.

Una temperatura del agua de alimentacin de 50C significa unaentalpa especfica del agua de 209,5 kJ/kg. El vapor a 10 bar rrequiere 2.781,7 kJ/kg de calor. Por tanto, el combustible de lacaldera necesita transferir 2.781,7 - 209,5 = 2.572,2 kJ/kg al aguapara darnos este resultado.

Produccin en kg/h de vapor

m = 3.000 kW x 3.600 s/h2.572,2 kJ/kgm = 4.198,7 kg/h

Esta unidad slo se usa en el EE.UU., Australia y Nueva Zelanda.Un caballo de potencia de caldera NO es 550 ft.lb minuto y NO SEPUEDE APLICAR el factor de la conversin generalmenteaceptado de 746 Vatios = 1 caballo de potencia.

En Nueva Zelanda el BoHP es una funcin del rea detransferencia de calor en la caldera, y un BoHP est relacionadocon 17 ft de superficie calorfica.Por ejemplo, una caldera con una rea de transferencia de calorde 2.500 pies cuadrados tendra el siguiente BoHP;

2.500 ft x 1 = 147 BoHP17En EE.UU. y Australia la definicin ms aceptada es de la cantidadde energa necesaria para evaporar 34,5 lb de agua a 212Fcondiciones atmosfricas.

Por ejemplo, una caldera capaz de producir 17.250 lb/h de vaportendra el siguiente BoHP;

17.250 lb/h x 1 = 500 BoHP34,5Recuerde que esto es esencialmente igual que un rgimen desde yhasta, as que usando agua de alimentacin a temperaturas msbajas y vapor a presiones ms altas, se reducir la cantidad de vaporgenerado. En la prctica, una cifra entre 28 - 30 lbs/h sera msrealista y tendran en cuenta la presin de vapor y la temperaturamedia del agua de alimentacin. Un resultado ms real sera entonces;

17.250 lb / h x 1 = 616 BoHP28que nos dara una caldera mayor para producir los mismos 17.250 lb / h

Boiler horse power(BoHP)

l

l

25

Eficiencia de la caldera

Las calderas y los quemadores deben disearse para unfuncionamiento eficaz, y deben estar correctamente dimensionados.Una caldera que tiene que cubrir con una carga puntual superior alrango mximo trabajar con una eficacia reducida. La presin puedecaer produciendo arrastres que harn que la caldera sea incapaz deproporcionar el vapor de buena calidad que se precisa.

Si una caldera tiene que trabajar con un porcentaje pequeo de surgimen, entonces las prdidas por radiacin pueden ser significantesy de nuevo hay una cada en eficacia global. No es fcil igualar laproduccin de la caldera a una demanda de vapor variable. Dos oms calderas son ms flexibles que una sola unidad y esto explica ladisposicin tpica de una caldera ms grande para la carga del inviernoy una caldera pequea para la carga de verano.

La caldera es slo parte de una instalacin. Es tan importantecomo tener el quemador que responda a la carga y mantenga lacorrecta proporcin de combustible / aire. ste es un tema muyamplio y si hay cualquier duda se debe consultar a los proveedoresde calderas y equipos de combustin.

Las mayores prdidas en una caldera se detectarn en los gasescalientes descargados por la chimenea. Si la combustin es buena,habr slo una pequea cantidad de exceso de aire. Los gases dela combustin contendrn un porcentaje relativamente grande dedixido de carbono y slo una cantidad pequea de oxgeno.Tambin, si las superficies calorficas estn limpias, se extraer unporcentaje alto de calor y la temperatura de los gases de lacombustin ser baja.Si la combustin es pobre, con mucho exceso de aire, entoncesaumentar el peso de los gases de la combustin que contendrnun porcentaje reducido de dixido del carbono y la cantidad superiorde oxgeno. Si la velocidad de combustin es alta o las superficiescalorficas estn sucias, no ser posible extraer un porcentaje altode calor y la temperatura de los gases de la combustin aumentar.

La medida del dixido de carbono o oxgeno en los gases decombustin, junto con la temperatura, permite calcular las prdidasde los gases de combustin. ste es el mtodo normal desupervisar eficazmente la caldera y debe hacerse correctamente ycon frecuencia bajo todas las condiciones de carga de la caldera.Una planta grande normalmente justificar una medicin y controlen continuo para aumentar la eficacia.

La caldera est para proporcionar vapor seco de buena calidad ala presin correcta. Puede haber un momento breve mientras seconsigue una buena eficacia de la combustin en que puedahaber un suministro de vapor que contenga bastante agua yproductos de tratamiento de agua.

Eficiencia y carga decaldera

Eficiencia en lacombustin

26

Las calderas estn diseadas para trabajar a presiones relativamentealtas. Esto significa que se desprendern pequeas burbujas devapor a la superficie del agua que proporcionarn vapor seco debuena calidad. Si se permite que caiga la presin, por cualquierrazn, entonces el tamao de las burbujas aumentar y se producirnturbulencias y arrastres. Por esta razn, las calderas deben trabajar ala presin correcta.Un mtodo adicional de eficacia para las calderas se realiza con eluso de un economizador. Un economizador es un dispositivo que sepone en el punto donde se descargan a atmsfera los gases calientesde la caldera (Figura 16). Ya que estos gases estn todava calientes,se pueden utilizar para calentar el agua de alimentacin que entra enla caldera, pasando el agua de alimentacin a travs del economizadorantes de que alcance la caldera. Los economizadores no sonconvenientes para las calderas con controles del nivel todo-nada.

La eficiencia comienzaen el tanque de

alimentacin de lacaldera

Puesto que el tanque de alimentacin est caliente, se debe procurarminimizar las prdidas de calor. Las mayores prdidas tendrn lugaren la superficie del agua, por tanto es esencial alguna forma de tapa.Una alternativa es cubrir la superficie con una manta flotante de pelotasde plstico. Aparte de evitar que se pierda calor, se ha demostrado queeste tipo de manta reduce la absorcin de oxgeno por el agua. Revestircon aislante el tanque proporcionar un ahorro adicional y reducir latemperatura ambiente de la sala de calderas.El tipo ms eficaz de tanque de agua de alimentacin atmosfrico es eltanque semi-desaireador que incorpora muchos detalles paraaumentar la capacidad de calentamiento, mezclando eficazmente elcondensado caliente, el revaporizado y el agua fra de aportacin reduciendoconsiderablemente la estratificacin de temperatura en el tanque.Otra manera de aumentar eficacia de sala de calderas es recuperar elcalor perdido por la purga de sales. Esto se logra en el tanque dealimentacin va un sistema de la recuperacin y se explica en detalleen la gua de la referencia tcnica Tratamiento de agua,almacenamiento y purga de fondo.

Fig. 16 Economizador de la caldera

Agua de alimentacina la caldera

Tiro decaldera

Gasescalientes

Economizador

Entrada de aguade alimentacin

27

Accesorios de la caldera

Placa de instalacin

Hay varios accesorios que deben instalarse en las calderas devapor, todos con el objetivo de mejorar:

Funcionamiento.Eficacia.Seguridad.

A continuacin explicaremos algunos de los accesoriosimportantes de la caldera, junto con la legislacin asociada.En la ltima la mitad del siglo XIX, las explosiones en calderasde vapor eran bastante comunes. A consecuencia de esto, seform una compaa en Manchester con el objetivo de reducir elnmero de explosiones sometiendo las calderas de vapor a unexamen independiente. Esta compaa era el principio de laactual Federacin de Seguridad (SAFed), el organismo cuyaaprobacin se requiere en el Reino Unido para los accesorios ycontroles de caldera.

Despus de un periodo comparativamente corto, slo ocho de11 000 calderas examinadas explotaron. Esto comparado conlas 260 explosiones de calderas que ocurrieron en calderas queno fueron examinadas por esta compaa.

Este xito conllev a la ley sobre explosiones de calderas de1882 qu incluy la necesidad de una placa de instalacin decaldera. Un ejemplo de una placa de instalacin de caldera semuestra en la Figura 17.

El nmero de serie y modelo identifican a la caldera y se utilizanpara pedir recambios al fabricante y para el registro de la caldera.

La cifra de produccin 'output' puede expresarse de diversasmaneras, como se ha dicho anteriormente.

Serial Number 32217Model Number Shellbol Mk. IIOutput 3,000 kg/hDesign pressure 19 barMaximum working pressure 18 barHydraulic test pressure 28.5 barDate of test 26/03/91Design standard BS2790 (1989)Class 1Inspection authority British Engine

Manufactured byBoilermakers Ltd.

Fig. 17 Una tpica placa de instalacin

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Uno de los accesorios importantes de la caldera es la vlvula deseguridad. Su funcin es proteger el cuerpo de la caldera desobrepresin y evitar que explosione. La normativa BS 6759 (ISO4126) trata de las vlvulas de seguridad en calderas de vapor, y BS2790 (8.1) trata de a las especificaciones del diseo y fabricacinde calderas pirotubulares de construccin soldada.Hay muchos tipos diferentes de vlvulas de seguridad instaladas en laplanta de la caldera, todas deben cumplir el siguiente criterio:

La(s) vlvula(s) de seguridad deber(n) dar salida a un caudal devapor equivalente a la potencia trmica de la caldera.

El rango de capacidad de descarga total de la(s) vlvula(s) de seguridaddebe estar dentro del 110% de la presin de diseo de la caldera.

El orificio que conecta una vlvula de seguridad a una calderadebe ser como mnimo de 20 mm.

La tara mxima de la vlvula de seguridad ser la presin mximapermisible de trabajo de la caldera.Debe haber un margen adecuado entre la presin normal detrabajo de la caldera y la tara de la vlvula de seguridad.

Vlvulas deseguridad

Fig. 18 Una tpica vlvula de seguridad de caldera

29

Vlvulas deinterrupcin para

calderas

Indicador

En el pasado, estas vlvulas estaban fabricadas de hierro fundido,acero y bronce (que se usan para las aplicaciones con presionesms altas). La normativa BS 2790 no permite las vlvulas dehierro fundido para esta aplicacin. Fundicin nodular o SG nodebe confundirse con hierro de fundicin gris ya que tienepropiedades mecnicas ms parecidas a las del acero. Por estarazn muchos fabricantes de calderas usan vlvulas de fundicinnodular como estndar en sus propias aplicaciones como vlvulade interrupcin.

La vlvula de interrupcin no se disea como una vlvula paraproporcionar ms o menos vapor, debe abrirse o cerrarsetotalmente. Siempre debe abrirse lentamente para evitar aumentosrepentinos de presin aguas abajo y los golpes de ariete.

Fig. 19 Esquema de una tpica vlvula de interrupcin para caldera

Volante de apertura

Calderas con una capacidad de evaporacin superior a 3 700 kg/htendrn instaladas como mnimo una vlvula de seguridad o unavlvula de seguridad doble (dos vlvulas con una vlvula deconmutacin), dependiendo del rendimiento de la caldera. Ver BS2790 (8.1) para ms detalles.Las tuberas de descarga de la vlvula de seguridad no deben tenerobstrucciones y deben drenar libremente para asegurar que elcondensado no se pueda acumular.Una caldera de vapor debe tener instalada una vlvula de interrupcin(tambin conocida como vlvula de salida de vapor). Esta asla lacaldera de vapor y su presin del proceso o la planta. Generalmentees una vlvula de globo en ngulo del modelo de husillo. La figura19 nos muestra una vlvula de interrupcin tpica de este tipo:

Normativas devlvulas de

seguridad (UK)

30

Para cumplir con las normativas del Reino Unido, la vlvula debe serdel tipo de volante que asciende. Esto le permite al operador de lacaldera ver fcilmente la posicin de la vlvula, incluso desde abajo.La vlvula mostrada tiene un indicador esto lo hace aun ms fcil parael operador.En aplicaciones de varias calderas debe instalarse una vlvula deaislamiento adicional en serie con la vlvula de salida de vapor. staes, generalmente, una vlvula del globo de husillo, del tipo de retencinque previene que una caldera presurice a otra. Alternativamente,algunas empresas prefieren usar una vlvula globo de husillo con unavlvula de retencin de disco intercalada entre las bridas de las dosvlvulas de aislamiento.La vlvula de retencin (como la de las Figuras 20 y 21), se instalan enla tubera del agua de alimentacin de la caldera entre la bomba dealimentacin y la caldera. Una vlvula de aislamiento para laalimentacin a la caldera se instala en el cuerpo de la caldera.

La vlvula de retencin contiene un resorte que mantiene la vlvulacerrada cuando no hay presin en la caldera aunque el tanque dealimentacin tenga un nivel elevado, adems previene que lacaldera se inunde por la presin esttica del agua de alimentacin.

Bajo condiciones normales de vapor, la vlvula de retencin funcionade una manera convencional para detener flujo del retorno de lacaldera que entra en la lnea de alimentacin cuando la bomba dealimentacin se para. Cuando la bomba de alimentacin se pone enmarcha, su presin vence al resorte para alimentar la caldera.

Vlvulas deretencin

Fig. 20 Vlvula de retencin

31

Fig. 21 Ubicacin de vlvula de retencin

Vlvula deretencin

Las calderas deben tener como mnimo una vlvula de purga defondo, en un lugar cercano al que pueda que se acumule elsedimento o lodo. Estas vlvulas deben accionarse con unallave y estn diseadas de tal manera que es imposible sacar lallave con la vlvula abierta. Ahora estn disponibles vlvulas depurga de fondo automticas que se controlan por temporizadoresincorporados en los controles electrnicos que aseguran queuna sla caldera puede purgarse a la vez. Las Figuras 22 y 23muestran vlvulas tpicas de purga de fondo.

Vlvulas de purga defondo

De lacaldera

Llave

Al tanque depurga

Fig. 22 Vlvula de purga de fondo tpica

32

Manmetros

Con purga de fondo manual en una instalacin de varias calderas,slo se permite una llave en la sala de calderas. De esta maneraes imposible que el contenido de la purga de fondo de unacaldera pase a otra y que tenga que pararse para el mantenimiento.En el Reino Unido el tema de purga de fondo lo cubre el documentoPM60 de las normativas de Seguridad e Higiene. En otras partes delmundo tienen sus propias normativas.

Fig. 23 Vlvula de purga de fondo automtica

Todas las calderas deben tener como mnimo un indicador depresin. El tipo usual es un manmetro sencillo segn la normativaBS1780 Parte 2 - clase uno.

33

El dial debe tener como mnimo 150 mm de dimetro y ser del tipode tubo de bourdon, debe tener marcado la presin de trabajonormal (indicado por una lnea roja en el dial) y la presin / diseo detrabajo mximo permisible (indicado por una lnea morada en eldial).Los manmetros, normalmente, se conectan al espacio vapor de lacaldera por un tubo sifn en R que est lleno de vapor condensadopara proteger el mecanismo del dial de altas temperaturas.

Se pueden instalar manmetros en otros recipientes a presin comotanques de purga de fondo, normalmente tendrn diales mspequeos como muestra la Figura 24.

Presin mximade servicio

Presin normalde servicio

Fig. 24 Manmetro con sifn tipo R

34

Protectores de losindicadores de nivel

Indicadores de nively sus accesorios

Todas las calderas tienen como mnimo un indicador de nivel deagua, pero las de ms de 145 kg/h deben tener dos indicadores. Enel Reino Unido, la normativa BS 3463 cubre los indicadores de nivel.

Un tubo de cristal muestra el nivel real del agua en la caldera seancuales sean las condiciones de trabajo de la caldera. Debeninstalarse indicadores de nivel para que nos muestren su lecturams baja del nivel del agua a 50 mm del punto sobre dondeocurrir el sobrecalentamiento. Alrededor de ellos deben instalarseprotectores que no deben impedir la visibilidad del nivel del agua.La figura 25 nos muestra un indicador de nivel tpico.

Los indicadores de nivel son propensos a daos por la corrosinde los qumicos en el agua de la caldera, y erosin durante lapurga de fondo, especialmente en el lado del vapor. Cualquierseal de corrosin o erosin nos obliga a cambiar el cristal.

Para comprobar un indicador de nivel, debe seguirse el siguienteprocedimiento;

1. Cerrar el grifo de agua y abrir el grifo de purga durante aprox.5 segundos.

2. Cerrar el grifo de purga y abrir la llave del agua - el aguadeber volver rpidamente a su nivel del funcionamiento normal,si esto no ocurriera, entonces podra haber un obstculo en elgrifo de agua y debe remediarse lo ms pronto posible.

3. Cerrar el grifo de vapor y abrir el grifo de purga duranteaproximadamente 5 segundos.

4. Cerrar el grifo de purga y abrir la llave de vapor, Si el agua novuelve a su nivel rpidamente, podra haber un obstculo en elgrifo de vapor y debe remediarse lo ms pronto posible.

El operador autorizado debe comprobar sistemticamente losindicadores de nivel por lo menos una vez al da llevando laproteccin necesaria en la cara y las manos para protegerle dequemaduras en caso de la rotura del cristal.

Todas las manetas del indicador de nivel deben apuntar haciaabajo cuando est trabajando.La proteccin del indicador de nivel debe mantenerse limpia.Cuando se est limpiando la proteccin debe cerrarsetemporalmente el indicador de nivel.

Asegrese de que hay un nivel de agua satisfactorio antes decerrar el indicador de nivel y tener cuidado de no tocar o golpear elcristal. Despus de limpiar y cuando se ha colocado la proteccin,el indicador de nivel debe comprobarse y los grifos puestos en laposicin correcta.

35

El indicador de nivel debe renovarse completamente en cadarevisin anual. La falta de mantenimiento puede producirendureciendo de la estopada que bloquea los grifos. Si se doblao se distorsiona una maneta de un grifo, hay que asegurarse deque el grifo est totalmente abierto. Los accesorios daadosdeben renovarse o repararse inmediatamente. Los cristalessuelen perder transparencia debido a las condiciones del agua,tambin se desgastan por la corrosin. Por consiguiente, loscristales deben renovarse regularmente.Se debe disponer de cristales y estopadas de recambio.Recuerde:Si los pasos de vapor estn estrangulados nos puede dar unfalso nivel alto de agua en la caja de nivel. Despus de que se hacomprobado el indicador, todava puede indicar un falso nivelalto de agua.Si los pasos de agua estn estrangulados nos puede dar un falsonivel de agua alto o bajo en la caja de nivel. Despus de que se hacomprobado el indicador, permanecer vaco durante un tiempo amenos que el verdadero nivel de agua este peligrosamente alto.Al comprobar las conexiones de vapor de la caja de nivel, debencerrarse los grifos de conexin a la tubera de agua del indicador denivel. Al comprobar las conexiones de vapor del indicador de nivel,deben cerrarse los grifos de conexin a la tubera de agua delindicador de nivel.

Mantenimiento

Nivel de aguaGrifo devapor

Grifo depurga

Fig. 25 Indicador de nivel y accesorios

Placasprotectoras

Vidrio

Grifo deagua

36

PAUS

E BLOW

THROUGH

PAUSE

NORMALWORKING

BLOW

THRO

UG

H

WATER SHUT

DRAIN OPEN

RETURN

TO NORMAL

Las cmaras de control de nivel estn en la parte externa de lacaldera y sirven par instalar los controles o alarmas de nivelcomo muestra la Figura 26.El funcionamiento de los controles o alarmas de nivel se verificadiariamente cuando se usa la vlvula de purga secuencial. Conel volante girado totalmente en sentido contrario a las agujas dereloj, la vlvula estar en la posicin de funcionamiento normaly un asiento trasero cierra la conexin del desage. El dial delvolante puede ser similar al mostrado en la Figura 27. Algunosvolantes no tienen dial, dependen del mecanismo del volantepara un funcionamiento correcto.

Nivel del agua

Cmaras de controlde nivel

Sonda de controlde nivel

Cmara de controlde nivel

Vlvula de purgasecuencial

Fig. 26 Cmara de control de nivel

Fig. 27 Placa indicadora de vlvula de purga

37

Un procedimiento tpico que puede usarse para comprobar loscontroles cuando la caldera est bajo presin con el quemadorencendido es el siguiente:

Lentamente girar el volante en el sentido de las agujas hasta laprimera posicin PAUSA. La conexin a la cmara est cerrada,la conexin al drenaje abierta y la conexin de agua purgando.Esperar de 5 a 8 segundos

Girar lentamente el volante hasta el final de la placa. La conexindel agua est cerrada, el drenaje permanece abierto y la conexinde vapor purgando. La alarma de nivel bajo de agua en lacaldera aparecer, es decir, la bomba funcionando y / o unsonido de alarma, el quemador se parar. Si se tiene unasegunda cmara de control de nivel con una alarma de nivel muybajo, la caldera se parar. Esperar de 5 a 8 segundos.Girar el volante a la posicin TRABAJO NORMAL para cerrar.

Hay varios fabricantes de vlvulas de purga de secuencial. Puedendiferir en el procedimiento de funcionamiento. Es esencial que sesigan las instrucciones de funcionamiento del fabricante.

38

Controles de nivelinstalados dentro de

la caldera

Fig. 28 Controles de nivel y funda de proteccin instalados dentro de la caldera

Sensor

Funda deproteccin

Lnea deagua de

alimentacin

Hay sistemas del control de nivel que proporcionan un gradomayor de seguridad que los mencionados anteriormente. Lossensores se instalan directamente dentro del cuerpo de la calderay proporcionan una funcin de supervisin de la integridad delsistema. Debido a que estn instalados internamente, no estnsujetos a los procedimientos de purga de fondo de las cmarasexternas. El funcionamiento del sistema se comprueba con unaprueba de evaporacin. Las fundas de proteccin se instalanpara amortiguar el nivel de agua alrededor del sensor.

39

Cuando una caldera se pone en marcha, el espacio de vapor estlleno de aire. Este aire no tiene valor calorfico, de hecho afectaradversamente al funcionamiento de la planta debido a su presinparcial como se demuestra en la ley de Daltons, y tambin suefecto de cubrir las superficies de intercambio de calor. El airetambin puede dar lugar a corrosin en el sistema de condensado,si no se elimina adecuadamente.

El aire puede purgarse del espacio de vapor simplemente usandouna vlvula manual, normalmente quedara abierto hasta que elmanmetro marque una presin aproximada de 0,5 bar. Una alternativaal grifo es un eliminador de aire de presin equilibrada que no slolibera al operador de la caldera de la tarea de purgar aire manualmente(y asegura que realmente se realiza), tambin es mucho ms precisoy eliminar los gases que se pueden acumular en la caldera. En laFigura 29 se muestran unos eliminadores de aire.

Rompedor devaco

Eliminador de aire depresin equilibrada

Eliminador de aire manual

Cuando se para una caldera, el vapor en el espacio vapor secondensa produciendo un vaco. Este vaco ejerce una presindesde el exterior sobre la caldera, y puede producir que las mirillasde inspeccin fuguen, que se dae la estructura de la caldera yexiste el peligro de que se llene excesivamente la caldera parada.Para evitar esto, se requiere un rompedor de vaco en el cuerpo de lacaldera. Puede verse un rompedor de vaco en la Figura 29.

Eliminadores de airey rompedores de

vaco

Fig. 29 Eliminadores de aire y rompedor de vaco (no a escala)

40

Lneas de suministro

La capacidad de las calderas pirotubulares es deaproximadamente 27 000 kg/h de vapor. Cuando se requierencargas superiores a estas, se conectan en paralelo dos o mscalderas. No es raro una instalacin de cuatro o ms calderas. Eldiseo de la lnea de suministro de vapor es muy importante.

La figura 30 nos muestra un mtodo comn de conectar cuatrocalderas, un mtodo que frecuentemente causa problemas.

Refirindose a la Figura 30, con todas las calderas trabajando ala misma presin, la presin en el punto A tiene que ser inferior ala del punto B para que el vapor pueda fluir de la caldera nmero3. Por consiguiente, debe haber una diferencia de presin mayorentre la caldera nmero 4 y el punto A que entre la calderanmero 3 y la misma posicin.

El flujo depende de la cada de presin, por tanto la calderanmero 4 descargar ms vapor que la caldera nmero 3.Igualmente, la caldera nmero 3 descargar ms que la nmero2 y as sucesivamente. El efecto neto es que, si la caldera nmero1 est a plena carga, las otras calderas se van sobrecargandoprogresivamente, el efecto empeora cerca del final.

Se puede demostrar que si la caldera nmero 1 est a plenacarga, la nmero 2 tendr una sobrecarga de alrededor de un1%, la nmero 3 de alrededor de un 6%, y la nmero 4 dealrededor de un 15%. Aunque las calderas pirotubulares puedencubrir con condiciones de sobrecarga ocasionales de un 5%, unasobrecarga de un 15% sera muy indeseable. El aumento de lavelocidad de la salida de vapor de la caldera crea una superficiede agua sumamente voltil y puede hacer que falle el sistema delcontrol de nivel.

Caldera 4

A la planta

Fig. 30 Disposicin para cuatro calderas - no recomendada

ABC

Caldera 3Caldera 2Caldera 1

41

Fig. 31 Diseo de lnea principal para cuatro calderas - disposicin mejorada

Con cargas altas, en este ejemplo, la caldera nmero 4 sebloqueara haciendo el sistema ms inestable y las tres calderasrestantes acabaran teniendo el mismo destino.

La observacin principal es que la lnea de suministro no permiteque las calderas compartan la carga equitativamente.

Uno de los objetivos de la lnea de suministro de vapor es igualarla cada de presin de las calderas conectadas para que estdentro de 0,1 bar. As se minimizaran los arrastres y se evitar lasobrecarga y los bloqueos de las calderas.

La disposicin de la Figura 31 nos muestra un diseo mejoradode una lnea de suministro.

La lnea de suministro descargar desde el centro, en vez de porun extremo. De esta manera, ninguna caldera se sobrecargarms de un 1% por lnea de suministro, siempre que la lnea desuministro est correctamente dimensionada.

Caldera 4Caldera 3Caldera 2Caldera 1

A la planta

42

En la Figura 32 se muestra una disposicin ptima para lainstalacin de cuatro o ms calderas, con la carga de cadacaldera distribuida equitativamente. Este sistema satisface mejora las calderas de cargas altas con controles secuenciales quefrecuentemente tienen una o ms parada.

Se hace nfasis en que la lnea de suministro diseadacorrectamente ahorrar muchos problemas y futuros gastos.

El diseo correcto de la lnea de distribucin en aplicaciones convarias calderas siempre nos proporcionar una instalacinequilibrada.

Fig. 32 Diseo de lnea principal para cuatro calderas - disposicin recomendada

Caldera 4Caldera 3Caldera 2Caldera 1

A la planta

43

Calentamiento

Salida de vapor

Habiendo considerado la disposicin general de la lnea desuministro de vapor, hay que asegurar las siguientes condiciones

Se suministra vapor seco a la planta.El calentamiento est controlado.Una caldera no puede presurizar a otra.Una distribucin de vapor correcta para la planta.

Cuando una caldera bien diseada genera vapor bajo condicionesde carga estables, el porcentaje de sequedad del vapor ser alto,aproximadamente entre 96% y 99%. Los cambios en la carga queocurren ms rpidamente de lo que puede responder la caldera,afectarn adversamente a este porcentaje de sequedad. Lainevitable prdida ocasional de control de TDS del agua de lacaldera o la contaminacin del agua de alimentacin de la caldera,producir que descargue vapor hmedo desde la caldera.Hay varios problemas asociados con esto:

Agua en un sistema de vapor puede producir los peligrososgolpes de ariete.El agua en el vapor no contiene la entalpa de evaporacin parala que se ha diseado la planta, si se transporta a la planta serineficaz y puede impedir que se logre el proceso.Los arrastres de agua en el vapor de la caldera contendrninevitablemente slidos disueltos, junto con los slidossuspendidos que pueden contaminar los controles, superficiesde transferencia de calor, purgadores y el producto.

Por estas razones, se recomienda que se instale un separadorcerca de la caldera. Los separadores trabajan produciendo dentrodel cuerpo cambios repentinos de direccin del vapor hmedo.Esto hace que las partculas de agua ms densas se separen delvapor y caern por gravedad al fondo del cuerpo, donde seacumularn y se desalojarn por medio de un purgador.Es esencial que cuando una caldera se pone en marcha se hagade una manera lenta segura y controlada, para evitar:Golpes de ariete. Grandes cantidades de condensado que estndentro de la tubera y se empujan a lo largo de la tubera avelocidades de vapor y producen daos cuando el agua choca conuna obstruccin en la tubera, como una vlvula de control.Shock trmico. Las tuberas se calientan tan rpidamente que laexpansin no se puede controlar, causando tensiones en las tuberasy provocando grandes movimientos en los apoyos de las tuberas.Arrastres. Una reduccin repentina de presin en la caldera puedeproducir arrastres de agua de la caldera a las tuberas. Esto no sloes perjudicial para el funcionamiento de la planta, la caldera puedebloquearse y tardar algn tiempo en poner la caldera en estadooperativo. El agua arrastrada tambin provocar golpes de arieteen las tuberas.

Arrastres

44

El periodo de calentamiento para cada planta ser diferente y dependerde factores como presin, tamao de la caldera, la longitud de las tuberasetc. Una caldera pequea de baja presin en una planta compacta comouna lavandera, por ejemplo, podra alcanzar la presin de trabajo enmenos de 15 minutos. Un complejo industrial grande puede tardar muchashoras. El primer punto de una puesta en marcha segura para una calderapequea debe ser abrir lentamente la vlvula de salida de vapor.

En las plantas ms grandes, sin embargo, la velocidad de calentamientoes difcil de controlar usando la vlvula de salida de vapor. Esto es porquela vlvula de salida de vapor est diseada para proporcionar un buenaislamiento, tiene un asiento plano que significa que toda la fuerza ejercidaal girar el volante actan directamente en el asiento y aseguran un buencierre. Tambin significa que la vlvula es del tipo todo-nada y pasar el80% de su capacidad aproximadamente en el primer 10% de su movimiento.

Por esta razn conviene instalar una vlvula de control despus de lavlvula de salida de vapor. Una vlvula de control tiene un obturadorperfilado que significa que la relacin entre el aumento en el flujo ymovimiento del obturador no es tan fuerte. Por consiguiente el caudal, y lavelocidad de calentamiento, puede controlarse mejor. En la Figura 33 semuestra un ejemplo de una vlvula de control instalada despus de lavlvula de salida de vapor de una caldera.

ELT

Una disposicin tpica para el calentamiento puede con una vlvula decontrol que est cerrada hasta que se requiera vapor. En ese momentola vlvula de control abrir lentamente con un sistema temporizado,durante un periodo de tiempo predeterminado. Esta disposicin tambintiene la ventaja de que no requiere mano de obra durante el periodo decalentamiento de caldera, que podra ser durante las primeras horas de lamaana. Este tema lo cubre en el Reino Unido la normativa PM5 de HSE.

Fig. 33 Vlvula de control despus de la vlvula de salida de vapor

Caldera

Vlvula salidade vapor

Vlvula de control

Controlador

45

Fig. 34 Ejemplo de vlvula de retencin de disco

Como evitar queuna caldera

presurice a otra

Para las plantas ms grandes, una vlvula control del tamao de lalnea seguira siendo an demasiado brusca para dar el calentamientorequerido. En estas circunstancias podra usarse una vlvula decontrol pequea en un lazo alrededor de una vlvula de aislamiento.Esto tiene la ventaja que donde se usan vlvulas en paralelo, que lapresin puede igualarse a ambos lados de la vlvula antes de abrir.

Cuando dos o ms calderas estn conectadas a una lnea de suministro,se debe prever que cada caldera pueda aislarse de la lnea de suministro.Esto asegurar que no haya retorno de vapor de la lnea de suministro,por ejemplo, cuando una caldera esta parada para su reparacin oinspeccin. En estas circunstancias siempre se debe usar la vlvula desalida de vapor para realizar aislamiento y es un requisito de la normativaBS 2790 (8.8.3). A veces es preferible instalar otra vlvula de aislamientoen la lnea de vapor de caldera para proporcionar un aislamiento dedoble seguridad. Bajo ninguna circunstancia puede usarse una vlvulade retencin para proporcionar un aislamiento total garantizado. Sinembargo, una vlvula de retencin aparte es til para prevenir el flujo deretorno de vapor durante el uso normal entre las calderas que estntrabajando y las que estn en stand-by.Las vlvulas de retencin de clapeta no son convenientes para estepropsito, ya que los cambios pequeos de presin de la calderapueden hacer que oscilen y colocando la carga alternativamente deuna caldera o la otra. Esto puede, bajo las condiciones severascausar unas sobrecargas cclicas en las calderas.Muchos de los casos de inestabilidad en instalaciones de variascalderas se causan por esta razn. Las vlvulas de salida de vaporcon vlvulas de retencin integrales son una opcin mejorconsiderando este fenmeno. Alternativamente, las vlvulas deretencin de disco cargadas por resorte proporcionan un efectoamortiguador que reduce el problema (Figura 34).La norma BS 2790 dice que una vlvula de retencin debe instalarseen esta lnea junto con la vlvula de salida de vapor, o la vlvula desalida de vapor debe incorporar una vlvula de retencin ntegral.

Vapor Vapor

46

Statutory instrument 1989 No. 2169 (Normativa de 1989 parasistemas presurizados contenedores transportables de gas). Conla correspondiente gua y cdigo de procedimiento.

BS 2790 Especificacin para el diseo y fabricacin de calderaspirotubulares de construccin soldada.

BS 1113 Especificacin para el diseo y fabricacin de plantasgeneradoras de vapor acuatubulares.

BS 6759 Part 1 Especificacin para las vlvulas de seguridadpara vapor y agua caliente.

Normativas (UK)

47

Asegurar unacorrecta distribucin

del vapor

El primer punto de cualquier sistema de distribucin es la sala decalderas, donde, a menudo, conviene que las lneas de vapor dela caldera converjan en un manifold que normalmente se le llamacolector distribuidor. El tamao del colector distribuidor dependerdel nmero y tamao de las calderas y el diseo del sistema de ladistribucin. Probablemente en una planta grande, lo ms factiblees la distribucin del vapor a alta presin por una lnea principalalrededor de la planta. Es preferible la distribucin a alta presinya que requiere tamaos de tubera reducidos para las altascapacidades y velocidades. Tambin se reducen las prdidas decalor y los problemas logsticos gracias a los dimetros reducidos.La distribucin de esta manera permite conectar los suministrosde vapor de la lnea principal a los puntos convenientes, directo alos usuarios de alta presin o por una estacin reductora depresin a colector que proporcionan vapor a los usuarios localesa presin reducida. En plantas ms pequeas es ms convenientela distribucin por lneas individuales. De cualquier modo, uncolector distribuidor de vapor en la sala de calderas proporcionaun til punto de comienzo centralizado. Permite un punto decompensacin entre las calderas y el sistema donde las calderasconectadas pueden compartir la carga del sistemaequitativamente.

Presin de trabajo. La lnea de suministro debe disearse segnla presin de trabajo de la caldera y cumplir con las normas deSistemas a Presin. Recuerde que las normas de bridas estnbasadas en la temperatura y la presin, es decir, la presinaceptable se reduce segn aumenta la temperatura. Por ejemplo:un rango de PN16 son 16 bar a 120C, pero slo es adecuadopara vapor saturado a 13 bar.

Dimetro. El dimetro debe igualar una velocidad de vapor nosuperior a 15 m/s bajo las condiciones plenas de carga. Lavelocidad baja es importante ya que ayuda a que caiga lahumedad arrastrada.

Salida de vapor. stas siempre deben partir de la parte superiordel colector de distribucin. As se asegura que slo saldr elvapor seco. La gravedad y la velocidad baja asegurarn que elcondensado caiga al fondo colector.

Purga de vapor. Es importante que se desaloje el condensadodel colector tan pronto como se forme. Por esta razn un purgadormecnico, por ej. un purgador de boya ser la mejor opcin. Elpurgador debe posicionarse para que pueda drenar por gravedad.Esto asegurar que se ha drenado el colector en la puesta enmarcha cuando la proporcin condensacin es mxima y lapresin es mnima.En la gua de referencia tcnica Purga de vapor y eliminacin deaire puede encontrarse ms sobre este tema.

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Informacin adicional

Esta gua de referencia tcnica se ha diseado para dar aingenieros o gerentes de energa, una introduccin en el tema decalderas, los accesorios de las calderas y las salidas de vapor.Es imposible cubrir todos los aspectos de este tema en esta gua,ya que casi cada instalacin es nica. Cuando pueden elegirentre varias opciones alternativas, no siempre est claro cualser la solucin ptima.

Hemos intentado cubrir las alternativas ms comunes, pero puedeser que no hayamos mencionado todas las opciones disponiblesen una parte determinada de una instalacin. En tales casos, elequipo de ingenieros regionales de Spirax Sarco estarencantado aconsejarles por telfono, fax o por correo desde laoficina central.

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