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INDICE

GENERADORES DE VAPOR “CALDERAS” 4 Conceptualización 4 Clasificación de las calderas 4

Calderas pirotubulares o de tubos de humo 5 Características generales 5 Ventajas 5 Desventajas 6

Calderas acuotubulares o de tubos de agua 6 Características generales 7 Ventajas 7 Desventajas 7

COMPONENTES PRINCIPALES DE UN GENERADOR DE VAPOR 8

Domo ó Hervidor 8 Hogar 8 Sobrecalentador y recalentador 8

Sobrecalentadores Radiantes 9 Sobrecalentadores de Convección 9

Spray Atemperador 9 Economizador 9 Precalentadores de Aire 10

Recuperativos 10 Regenerativos 10

MANTENIMIENTO GENERADORES DE VAPOR 10 El personal 10 Pruebas 11

Prueba hidrostática. Prueba de presión 11 Preparación de la prueba 11 Realización de la prueba 11

Pruebas hidrostáticas de redes de tuberías 11 Pruebas de redes de conductos [UNE 100104] 12 Pruebas de libre dilatación 12 Primera puesta en marcha 12

Comprobaciones 12 Marcha en régimen 12

Tipos de procedimiento 13 Cada día 13 Cada semana 14 Cada mes 14 Cada seis meses 14 Cada año 14

Purga 15 Limpieza y mantenimiento 15

Fuera de servicio 15 Mantenimiento fuera de servicio 15 Procedimiento seco 15 Procedimiento húmedo 16

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CONTROL EN CALDERAS 16 Control de nivel/agua de alimentación 17

Filosofía del control 17 Control a un elemento 18 Control a dos elementos 18 Control a tres elementos 19

Control de temperatura del vapor 19 Objetivo 19 Filosofía del control 19

Control de la demanda 19 Objetivo 19 Filosofía del control 19

HOGARES 20

Introducción 20 Refrigeración de los hogares 21 Distintos tipos de hogares 21

Según la colocación de los quemadores el hogar de la caldera puede ser 21 Según el tipo de combustible utilizado 22 Otros tipos de hogares 23

COMBUSTION 24

Introducción 24 Tipos de combustión 24 Exceso de aire 24 Rendimiento de la combustión 24 Control de la combustión 25 Métodos de control de la combustión 25

COMBUSTIBLES 26 Tipos de combustibles 26

Combustibles sólidos 27 Combustibles líquidos 27 Combustibles gaseosos 28

Criterios para la elección de un combustible 28 QUEMADORES 28

Introducción 28 Clasificación de los quemadores 29

Quemadores para Combustibles Sólidos 29 Quemadores para Combustibles liquidos 30 Quemadores para Combustibles gaseosos 30

TIRO EN CALDERAS 31 Tiro Natural 32 Tiro necesario 32 Influencia de las condiciones atmosféricas 33 Tiro Artificial 33

Tiro Forzado 34 Tiro inducido o aspirado integral 34

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Tiro Equilibrado o Balanceado 34 Ventiladores 35

ECONOMIZADORES 35

Introducción 35 Clasificación de los economizadores 36

De acuerdo a la disposición geométrica 36 De acuerdo a la dirección del gas con respecto a los tubos 37 De acuerdo a la dirección relativa del flujo de gas y de agua 37 De acuerdo al tipo de superficie absorbente del calor 38

Consideraciones generales 39 CALENTADORES DE AIRE 41

Clasificación 41 Calentadores de aire recuperativos 41 Calentadores de aire regenerativos 44

TRATAMIENTO DE AGUA DE CALDERAS 46

Introducción 46 Pruebas químicas 46 Elementos químicos y ecuaciones de reacción 47 Ácidos, bases y valor de pH 48 Solubilidad 48 Incrustación 48

Efectos de la incrustación 49 Identificación de la incrustación 50 Prevención de la formación de incrustaciones 50

Tratamientos del agua de alimentación de caldera 50 Prevención de incrustación: tratamiento externo 50 Prevención de incrustación: tratamiento interno 51 Control coordinado de fosfato/pH 51 Control de fosfato /pH congruente y oculto. 51 Polímeros o acondicionamiento de lodos 52

Depósitos de aceite 52 Incrustación y eliminación de aceite 52

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GENERADORES DE VAPOR “CALDERAS”

Cuando buscamos en un diccionario el significado de la palabra ‘caldera’, entre las diversas acepciones que aparecen, encontramos: recipiente metálico, grande y más o menos redondeado y cilíndrico que sirve para hervir un líquido y generar vapor que será empleado para producir energía o como sistema de calefacción’. Viendo esta definición somos capaces de hacernos una idea de la forma y utilidad de una caldera, pero de lo que es más importante, ya podemos saber en que radica su importancia en la industria, que en definitiva es el lo que nos centraremos a estudiar: una caldera es el punto de partida en la producción de energía en la inmensa mayoría de las empresas.

Una caldera es un cambiador de calor; transforma la energía química del combustible en energía calorífica. Además, intercambia este calor con un fluido, generalmente agua, que se transforma en vapor de agua. En una caldera se produce la combustión que es la liberación del calor del combustible y la captación del calor liberado por el fluido. La caldera es necesaria para poder realizar la gran mayoría de los trabajos y a su vez, también para el confort de las personas ya que gracias a ella las personas reciben calor en todos los lugares que posean una caldera. Este calor recibido de la caldera viene dado por los mecanismos básicos de transmisión de calor: la conducción es el calor que pasa de una parte a la otra de la pared del hogar, o de los tubos de humos; la convección, los tubos de humos se calientan al contacto con los productos de combustión y, por último, la radiación se produce un intercambio de calor de la llama a las paredes del hogar.

Conceptualización

Un generador de vapor se define como una combinación compleja de economizador, caldera, sobrecalentador, recalentador, precalentadores de aire, y equipos auxiliares tales como: alimentador de horno, pulverizadores, quemadores, ventiladores, equipos de control de emisiones, chimenea, equipo de manejo de cenizas,etc.

Entonces, una CALDERA es un componente del GENERADOR DE VAPOR donde el líquido es convertido a vapor saturado.

El término “CALDERA” es usado como significado de “GENERADOR DE VAPOR”, sin embargo un generador de vapor se clasifica por diferentes vías, por ejemplo:

Utility steam generators, son aquellos usados en el servicio de la generación de potencia eléctrica y existen como:

- Subcríticos, los cuales operan entre 130 bar a 190bar de presión, alcanzan hasta 550°C con una o dos etapas de recalentadores y poseen una capacidad de 1 a 10 millones Lbm/hora de vapor.

- Supercríticos, que pueden operar por arriba de 3208.2 psia, usualmente con una presión de 3500psia (240bar).

Industrial steam generators, son aquellos que se utilizan en la industria pequeña de generación eléctrica, establecimientos institucionales, industriales, comerciales y en muchos usos más como en la Industria Alimentaria (conserveras, embotelladoras, precocinados, aceites, mataderos, licoreras y alcoholeras, cerveceras, lácteos, bodegas, etc.), construcción (prefabricados de hormigón, cerámicas,etc.), industria del caucho, valorización de residuos y reciclaje, plásticos, lavanderías, farmacéutica, química, papel y cartón, industria del metal, etc. Estos generadores de vapor pueden alcanzar presiones hasta de 1500Psig y una capacidad de 1 millón Lbm/hora de vapor.

Clasificación de las calderas

Las calderas pueden clasificarse basándose en algunas de las características siguientes: uso, presión, materiales de que están construidas, contenido, forma y posición de los tubos, sistema del fogón, clase de combustible, fluido utilizado, sistema de circulación, posición y tipo del hogar, forma general, etc.

Si nos referimos a la clasificación de acuerdo al tipo de diseño, encontraremos dos grandes tipos de calderas:

a) Calderas de tubos de humo (Pirotubulares)

b) Calderas de tubos de agua (Acuotubulares)

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a) Calderas pirotubulares o de tubos de humo

Se caracterizan porque la llama de la combustión se forma dentro de cada hogar cilíndrico de la caldera, pasando los humos generados por el interior de los tubos de los pasos siguientes (normalmente dos), para ser conducidos a la chimenea de evacuación. De ello, su otro nombre de calderas de tubos de humo.

En estas calderas, tanto los hogares, como los tubos de humo están en el interior de la virola, completamente rodeados de agua. Para generar vapor, se regula el nivel medio del agua en su interior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo su cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida.

Características generales:

- Se construyen en tamaños de hasta 18000lbm/hora de vapor.

- El Calor circula por dentro de los tubos y el fluido frío, agua, por fuera de ellos. El calor es transferido por medio de los humos o gas de la combustión.

- Los tubos van sumergidos en el agua

- La caldera de baja presión está limitada a 15psig de presión de vapor.

- La caldera de vapor para generar fuerza puede operar a una presión de 300Psig y una capacidad de 50000Lbm/hora de vapor de agua.

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

- Usan como fluido termodinámico el agua y el aceite térmico.

- Las calderas pueden ser de tubos continuos o de tubos de retorno de acuerdo con la dirección del flujo de gases.

- Pueden tener un hogar interno o estar dotadas de un fogón externo.

- Su operación con la nueva tecnología les permite operar automáticamente.

- El espacio comprendido arriba del nivel agua es llamado cámara de vapor.

- La caldera puede ser de uno, dos y ocasionalmente hasta de cuatro retornos.

Ventajas

- Almacenan gran cantidad de agua.

- Producen gran cantidad de vapor.

- Permiten efectos de fluctuaciones en la demanda de vapor.

- Su costo instalada es relativamente bajo y considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular de domo.

- Son perfectamente adaptables a la producción estandarizada.

- Son eficientes de 79% a 85%.

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- La caldera escocesa es económica en su costo inicial, ocupa un mínimo de material refractario y su instalación es sencilla.

- Fáciles de transportar

- Necesitan relativamente poca área para su instalación.

- Las calderas escocesas pueden ser operadas bien con aguas contaminadas.

Desventajas:

- Su arranque en frío es demasiado lento para alcanzar la presión de trabajo.

- Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitado y depende del tipo de caldera.

- Con el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se eleva rápidamente.

- No se utilizan para el accionamiento de turbinas.

- El tamaño de la caja del hogar no puede ser ampliado.

- Su operación se torna crítica al operar con sobrecarga de más del 40%.

- Su mantenimiento interior es dificultoso.

- No son empleables para altas presiones (operan de 0-300 PSIG).

b) Calderas acuotubulares o de tubos de agua

Debido a los grandes inconvenientes de las calderas pirotubulares se construyen este otro tipo de calderas. Las calderas acuotubulares se caracterizan porque la llama de los quemadores se forma dentro de un recinto formado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamada cámara de combustión (hogar), pasando los humos generados por el interior de los pasos siguientes, cuyos sucesivos recintos están también formados por paredes tubulares en su mayoría.

La cualidad que diferencia a estas calderas es, que todos los tubos que integran su cuerpo están llenos de agua o, al menos, llenos de mezcla agua-vapor en los tubos hervidores, en los que se transforma parte de agua en vapor cuando generan vapor como fluido final de consumo.

En las calderas acuotubulares la circulación del agua por su interior es forzada por medio de las bombas de circulación. En las calderas de generación de vapor se regula el nivel medio de agua en el calderín superior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo la cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida.

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Características generales:

- EL fluido, agua, circula por el interior de los tubos y por el exterior los gases producto de la combustión.

- Los tubos que manejan agua y vapor, o tubos descendentes son de acero al carbono

- Estas calderas por lo general son de construcción vertical

- Estas calderas requieren de agua de alimentación con un tratamiento químico exhaustivo.

- Estas calderas pueden ser de circulación natural o forzada.

- Las de circulación forzada supercríticas no utilizan bomba de recirculación, y operan con presiones de diseños cercanas o por encima del punto crítico.

- Utilizan calentadores de aire que es el último dispositivo en recuperar calor de la caldera y se localiza en la chimenea.

- Utilizan precipitadores a la salida de los humo.

- Algunas son de tiro inducido, tiro forzado y de tiro equilibrado o balanceado.

Ventajas:

- Son de horno propio interior ubicado lejos de la zona de evaporación

- Son de gran volumen y altura

- Admiten gran cantidad de aire en su hogar

- La combustión se puede controlar

- Son de alto rendimiento y producción de alta presión, apta para generación de energía eléctrica.

- Menor tiempo para levantar presión.

- Entre más alta es la caldera más se aprovecha la energía calórica de los gases de combustión

- Mayor flexibilidad para variaciones de consumo, debido a la pequeña cantidad de agua que contienen

- Puede quemar combustible líquido, gaseoso, sólido y biomásico.

- Producen un vapor seco por lo que en el sistema de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento.

Desventajas

- Es de difícil realizar mantenimiento por lo incomodo el acceso a la zona de convección.

- Mantenimiento más costoso.

- El coeficiente de evaporación está estrechamente limitado por la circulación interna.

- Para su instalación requieren de una extensa área de terreno.

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COMPONENTES PRINCIPALES DE UN GENERADOR DE VAPOR A continuación se definirán los componentes más importantes que pueden ser encontrados en un generador de vapor.

Domo ó Hervidor

Este componente es también llamado Caldera, es un recipiente metálico diseñado con las condiciones de presión a las que debe trabajar el generador de vapor. La función básica del domo es la de separar el vapor de la mezcla vapor-agua y mantener el vapor seco.

En las unidades que no tienen economizador, es en el domo donde se dispone el agua previamente tratada y desde ahí se distribuye por todos los tubos del circuito bien sea por medio de flujo natural o por flujo forzado. En las unidades con economizador, el agua es precalentada en el economizador antes de ser llevado al domo. Aquellas unidades denominadas “de un solo paso” carecen de domo.

Hogar

Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina los productos de la combustión y debe resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan.

Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación de calor, al tipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar las cenizas.

Los hogares enfriados por agua, se utilizan en la mayor parte de las unidades de caldera y para todos los tipos de combustibles y métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y como consecuencia puede limitarse su temperatura a la que satisfará los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.

Las construcciones de tubos enfriados por agua, facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar, y óptimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisorias para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de combustión. También reducen las pérdidas del calor al exterior.

Las superficies absorbentes de calor en el hogar, lo reciben de los productos de combustión y en consecuencia contribuyen directamente a la generación de vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que salen del mismo.

Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan de forma simultánea, estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos, que proviene del lecho de combustible, o de las partículas de combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor por convección de los gases del hogar, y la conducción de calor a través de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficacia de la absorción de la superficie del hogar es influida por los depósitos de cenizas o de escoria.

Las temperaturas del gas de salida del hogar, varían considerablemente cuando se quema carbón, debido al efecto de aislamiento de los depósitos de ceniza y escoria sobre las superficies de absorción de calor. La cantidad de superficie es el factor más importante en la absorción global de calor en el hogar y por tanto el calor liberado y disponible para absorción por hora y por pie cuadrado de área absorbente efectiva es una base satisfactoria para establecer una correlación.

El calor liberado y disponible para la absorción es la suma del contenido calorífico del combustible quemado, y el calor sensible del aire de combustión, menos la suma del calor no disponible debido a la parte del combustible que no se consumió y el calor latente del vapor formado por la humedad en el combustible y la combustión del hidrógeno.

Las paredes del hogar deben estar soportadas de forma adecuada tomando en cuenta la expansión térmica con montantes de refuerzos para resistir las fuerzas laterales causadas por la diferencia entre la presión del hogar y la de la atmósfera que lo rodea. La cubierta del hogar debe evitar la infiltración del aire, cuando se opera con succión y debe evitar la fuga de gas, cuando se opera a presiones más altas que la atmosférica.

Sobrecalentador y Recalentador

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La adición de calor al vapor después de la evaporación o el cambio de estado, viene por un aumento en la temperatura y la entalpía del fluido. El calor se agrega al vapor en componentes de la caldera llamados sobrecalentadores y recalentadores, los cuales se componen de elementos tubulares expuestos a los productos gaseosos a alta temperatura de la combustión.

Las ventajas del sobrecalentamiento y recalentamiento en la generación de potencia son resultado de la ganancia termodinámica en el Ciclo de Ranking y de la reducción de las pérdidas de calor debidas a la humedad en las etapas de baja de presión en la turbina. Con presiones y temperaturas altas del vapor se dispone de más energía útil, pero los avances hacia temperaturas altas del vapor a menudo son restringidos por la resistencia mecánica y la oxidación del acero y de las aleaciones ferrosas con los que se cuenta en la actualidad y son económicamente prácticos para su uso en la parte a presión de las calderas y en las construcciones de alabes de las turbinas.

El término “sobrecalentado” se aplica al vapor de más alta presión y el de “recalentado” se refiere al vapor de presión más baja que ha liberado parte de su energía durante la expansión en la turbina de alta presión. Con presión de vapor inicial alta pueden emplearse una o más etapas de recalentamientos con el fin de mejorar la eficiencia térmica. Se clasifican en dos grandes grupos: Radiantes o de Convección.

• Sobrecalentadores Radiantes: Por lo general se disponen para expansión directa a los gases del hogar y, en algunos diseños, forman

parte de la cubierta de éste. En otros diseños, la superficie se dispone en forma de espiras tubulares o planchas, con amplio espaciamiento lateral extendiéndose hacia el hogar. Esta superficie se expone a los gases a alta temperatura del hogar que se mueve a velocidades relativamente bajas, así que la transferencia de calor se hace por radiación.

• Sobrecalentadores de Convección: Se instalan más allá de la salida del hogar, donde la temperatura del gas son más bajas que las de las

zonas en las que se usan los sobrecalentadores de tipo radiante. Por lo común, los tubos se disponen en la forma de elementos paralelos, con poco espaciamiento lateral y en bancos de tubos que se extienden parcial o completamente a través de la corriente de gas, con el gas fluyendo a través de los espacios relativamente angostos entre los tubos. Se obtienen gastos elevados de gas y en consecuencia velocidades altas de transferencia de calor por convección a expensas de la caída de presión de gas a través del banco de tubos.

Spray Atemperador

Los atemperadores, también conocidos como desobrecalentadores, son boquillas atomizadoras en los tubos de la caldera entre los sobrecalentadores.

Estas boquillas atomizadoras suministran un fina niebla de agua pura en el camino del flujo del vapor para prevenir el daño del tubo por sobrecalentamiento.

Los Atemperadores son provistos tanto para los sobrecalentadores como para los recalentadores.

Economizador

Los economizadores eliminan el calor de los gases de combustión con temperaturas moderadamente bajas, después de que salen de las secciones de generación de vapor y del sobrecalentamiento y/o recalentamiento.

Los economizadores son en realidad calentadores de agua de alimentación que las reciben de las bombas de alimentación y la descargan a una temperatura más alta al generador de vapor. Los economizadores se usan en lugar de incrementar la superficie generadora de vapor, ya que el agua de alimentación y en consecuencia la superficie que recibe calor están a temperatura más bajas que las del vapor saturado, por tanto los gases pueden enfriarse hasta temperaturas aún más bajas para lograr mayor recuperación de calor y mejorar la economía.

Se clasifican como de los tipos de tubos horizontales y verticales, de acuerdo con la disposición geométrica; de flujo longitudinal o cruzado según la dirección del gas con respecto a los tubos; de flujos en paralelo o de contra-flujo, según la dirección relativa del flujo de gas y de agua; como generadores o no generadores de vapor, según el rendimiento térmico; como de tubos continuos o como tubos en U, según los detalles de diseño; y como de tubos desnudos o con superficies extendidas, según el tipo de superficie absorbente del calor.

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Precalentadores de Aire

Los precalentadores de aire al igual que los economizadores extraen calor de los gases de combustión con temperaturas relativamente bajas. La temperatura del aire de entrada es menor que la del agua que entra al economizador y por tanto es posible reducir aún más la temperatura de los productos gaseosos de la combustión, antes de que se descarguen en las chimeneas.

El calor que se recupera de los gases de la combustión se recicla al hogar junto con el aire de combustión y cuando se agrega a la energía térmica liberada por el combustible, se convierte en energía disponible para la absorción en la unidad generadora de vapor, con una ganancia en la eficiencia térmica global. El uso de aire precalentado para la combustión acelera la ignición y fomenta una combustión rápida y completa del combustible.

Los calentadores de aire se clasifican en general como: Recuperativos o Generativos. En ambos se usa la transferencia por convección del calor, de la corriente del gas a un metal o una superficie sólida y la transferencia por convección de esta superficie al aire.

Recuperativos: En éstos, las partes metálicas estacionarias forman una frontera de separación entre los fluidos, el que se calienta y el que se enfría, y el calor pasa por conducción a través de la pared metálica.

Regenerativos: Hay dos tipos básicos, en el primer tipo, los elementos de transferencia de calor se mueven alternadamente a través de las corrientes de gas y aire que pasan por ciclos sucesivos de calentamiento y enfriamiento, y reciben la transferencia de calor por la capacidad de almacenamiento térmico de los elementos. En el otro tipo de precalentador regenerativo, tiene elementos estacionarios y el flujo alterno del gas y del aire se controla al hacer girar las conexiones de entrada y salida.

MANTENIMIENTO GENERADORES DE VAPOR

La atención y el adecuado mantenimiento de todos y cada uno de los componentes de la instalación, tendrán como consecuencias una vida más larga, un funcionamiento deseado y unos gastos de explotación óptimos.Pero la consecuencia más importante de un buen mantenimiento es que es la clave para un FUNCIONAMIENTO CORRECTO

Por esto es fundamental llevar un libro de registro en el que se anoten los datos operacionales de la instalación y que recoja las anomalías, sus correcciones, las reparaciones.

El personal

Es imprescindible que se designe un responsable de la instalación. Este responsable así como los operarios que manipulen la instalación deben estar adecuadamente

formados, tienen que tener un conocimiento que les permita hacer funcionar la instalación de forma segura, para entender el funcionamiento y la función de cada componente y para darse cuenta de la Interrelación entre los diversos componentes de la instalación.

El personal responsable del servicio de calderas, debe atender las siguientes instrucciones:

- Justificar su conocimiento de las prescripciones reglamentarias. - La instalación de la caldera debe conservarse limpia, estar bien iluminada y libre de cualquier objeto que

no pertenezca a la misma. - Cualquier anomalía en el funcionamiento deberá ser localizada y reparada de forma inmediata. Si el

alcance de la avería no fuese realmente importante, se procederá a su reparación en la primera parada de la instalación.

- Independientemente de las pruebas periódicas establecidas por la Superioridad, se deberán realizar reconocimientos periódicos de la instalación de caldera y equipos auxiliares, recomendándose que un mínimo de dos reconocimientos sean efectuados por personal técnico ajeno a la conducción del generador.

- Las herramientas, accesorios y cualquier utensilio que sea necesario para el servicio, deberán estar ordenados y colocados en lugares fácilmente accesibles.

- Se establecerá un stock de piezas de repuesto que se consideren imprescindibles para un servicio continuo de la instalación.

Los operarios deberán poseer conocimientos sobre:

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- Compresores: su funcionamiento: el punto de ajuste, la función del presostato de alta, de baja y de aceite. Las funciones de los termostatos y de cualquier otro control de seguridad que se halla instalado en la caldera.

- Válvulas automáticas de control: tienen que saber como funcionan que regulan como se ajustan. - Válvulas de cierre manuales, eléctricas o neumáticas: donde están situadas y en que situaciones hay que

usarlas. - Válvulas de seguridad: donde están situadas, que parte del sistema protege cada una y que debe hacerse

si la válvula llega a actuar. - Controles eléctricos: seleccionadores fusibles, reles, temporizadores. Deben saber la finalidad de cada uno

y lo que protege cada uno. - Cambios de presión y temperatura: cuales son las temperaturas y presiones normales de funcionamiento.

Las causas y los efectos de los cambios de presión o temperatura y que hacer para restablecer las condiciones normales de trabajo.

Pruebas

Prueba hidrostática. Prueba de presión

[Normas UNE 9-105-92 ]

Definición:

La primera prueba de presión de un aparato a presión es la que permite verificar su estanquidad y su resistencia a las deformaciones

La presión de Prueba Pp, viene dada por la expresión: Pp = 1.5 Pd Donde Pd es la presión de trabajo en las peores condiciones de trabajo.

Preparación de la prueba:

1. Limpiar en interior de la caldera y que esté libre de obstáculos. 2. Verificar que todas las zonas del cuerpo resistente a inspeccionar son accesibles y carecen de

cualquier otro recubrimiento 3. El manómetro debe comprender como mínimo en su escala hasta 2.5 Pp. 4. Debe haber un precalentamiento del agua, no se aconseja agua a baja temperatura.

Realización de la prueba

• Proceso de presurización. Tiempo

Se procede al llenado de agua de las partes a presión hasta alcanzar la presión de prueba y se cierra en ese momento el dispositivo de alimentación (cuidando que no existan bolsas de aire, la aportación de agua para pasar de Pd a Pp debe ser de pequeño caudal). Durante un tiempo de 20 min. Se comprueba que el manómetro permanece inalterable, y se realizan las mediciones y se inicia la inspección visual.

• Mediciones e inspección durante la prueba

Se deben realizar a la presión de prueba. Seguidamente se procede a la inspección visual principalmente en las uniones vigilando que no haya fugas. Luego se procede a un vaciado de la caldera hasta un rango de amplitud [Pd, 0.8 Pp].

• Mediciones después de la prueba

Deben realizarse en los mismo puntos en que se efectuaron durante la prueba, con el fin de determinar si se han producido deformaciones permanentes.

• Informe:

Presión de prueba, Gráfico Tiempo / presión , temperatura del liquido de prueba, Manómetros utilizados, Resultado de las mediciones, Resultado de la inspección visual, Nombre y cargo de la persona que se ocupa, Lugar de realización, Fecha de realización.

Pruebas hidrostáticas de redes de tuberías

Todas las redes que porten fluidos se deberán probar antes de ser tapadas por aislantes, albañilería, material de relleno, etc. Se realizará una prueba de estanqueidad hidrostática, siguiendo las siguientes indicaciones:

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- Taponar extremos de los conductos en el montaje, antes de conectar los terminales, con el fin de evitar la entrada de suciedad y de materiales extraños.

- Dejar las conducciones y equipos a una presión 1,5 veces mayor a la de trabajo, no siendo menor de 6 bar, en frío.

- Realizar pruebas de circulación de agua, limpieza, filtros, estanqueidad en temperatura de régimen y medir presiones.

- Efectuar el tarado de órganos de seguridad. Se deberán limpiar debidamente y como marca el reglamento antes de realizar la pruebas. Utilizar agua

con detergente y recircular por las bombas (2h) hasta obtener un PH menor de 7.5 (para instalaciones cerradas con temperatura del agua menos a 100º) y después vaciar. - Limpiar también bombas, accesorios, filtros.

Pruebas de redes de conductos [UNE 100104]

Los conductos de chapa se probarán de acuerdo con las pruebas requieren el taponamiento de los extremos de la red, antes de que estén instaladas las unidades terminales. Los elementos de taponamiento deben instalarse en el curso del montaje, de tal manera que sirvan, al mismo tiempo, para evitar la entrada en la red de materiales extraños. Complementado el montaje de las redes de distribución de aire y antes de conectar los terminales se pondrán en marcha los ventiladores hasta que se observe limpio.

Posteriormente se procederá a comprobar la ejecución, limpieza t acabado de las instalaciones. También se hará equipos eléctricos, calderas, climatizadores, anotando condiciones de funcionamiento.

Pruebas de libre dilatación

Una vez que las pruebas anteriores hayan sido satisfactorias y se hayan comprobado hidrostáticamente los elementos de seguridad, las instalaciones equipadas con calderas se llevarán hasta la temperatura de tarado de los elementos de seguridad, habiendo anulado previamente la actuación de los aparatos de regulación automática. Las instalaciones equipadas con calderas se someterán a dicha prueba, una vez realizadas las anteriores con resultados satisfactorios. Dicha prueba consistirá en subir la temperatura hasta alcanzar la de tarado de los elementos.

Posteriormente. Durante el enfriamiento de la instalación y al finalizar el mismo, se comprobará visualmente que no han tenido lugar deformaciones apreciables en ningún elemento o tramo de tubería y que el sistema de expansión ha funcionado correctamente.

Primera puesta en marcha

Puesta en marcha después de un amplio periodo de parada. Antes de poner en servicio el generador, deberá revisarse el estado de las válvulas de seguridad, niveles, manómetro y demás controles y equipos auxiliares que el mismo incorpore, comprobándose su estado. - Comprobar que las válvulas de cierre del circuito de combustible están abiertas. - Comprobar que las válvulas de cierre del circuito de agua de alimentación están abiertas. - Si comenzamos con el generador desde presión cero, abrir la válvula de aireación. - Observar el agua en los niveles, si ésta falta, debe ponerse la bomba en marcha automáticamente al

accionar los interruptores general y de bomba de alimentación. - Colocar el interruptor general en posición ON (En Marcha) - Accionar el pulsador de rearme o desbloqueo. - Colocar el interruptor del quemador en posición conectado. - Cerrar la válvula de aireación cuando salga un flujo continuo de vapor por la misma.

Comprobaciones

Marcha en régimen

Se comprobará el funcionamiento de reguladores de nivel, a diversas cargas de generador, así como su comportamiento en las variaciones bruscas de la carga, aún cuando estas variaciones es conveniente que se produzcan suavemente.

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Todos los días y aprovechando los momentos de reducida demanda de vapor de fábrica, se comprobará el correcto funcionamiento de los controles de presión, nivel, fallo de llama, etc., provocando para ello las incidencias correspondientes.

Con la mayor frecuencia posible se comprobará el correcto establecimiento y forma de la llama, así como el estado de la obra de refractario, utilizándose para ello las mirillas de observación previstas a tal fin. Periódicamente se comprobarán las características del agua de alimentación y del agua en el interior de la caldera. Las características del agua, tanto de alimentación como del interior de la caldera, deberán mantenerse por debajo de los límites reflejados por el sistema.

Se deberá poner especial cuidado en la extracción de la muestra del agua del interior del generador, cuando éste se encuentre en servicio, en el sentido de evitar la vaporización parcial del agua al pasar a la presión atmosférica. Lo anterior se puede conseguir habilitando un pequeño serpentín refrigerador sumergido en agua fría y haciendo pasar el agua de la caldera a través del mismo, y de esta forma prevenir la citada vaporización parcial que podría desvirtuar sensiblemente las características obtenidas por análisis posterior.

Para realizar un buen mantenimiento hay que tener en cuenta una serie de comprobaciones periódicas. Con la convicción que MÁS VALE PREVENIR QUE REPARAR, el personal encargado de la instalación debe realizar las comprobaciones y trabajos que se detallan a continuación, con la periodicidad que se indica. Hay que tener en cuenta que se trata de una guía general de actuación, que no pretende ser exhaustiva, sino para poder ayudar al operario en su trabajo. En cualquier caso, las instrucciones específicas de los fabricantes de los diversos componentes tendrán un carácter prioritario.

Tipos de procedimiento

• Cada día

1) Purga diaria de indicadores de nivel

La válvula de entrada de vapor al indicador de nivel debe continuar abierta, cerrar la válvula de entrada de agua al indicador de nivel, abrir lentamente la válvula de purga del indicador de nivel, dejar circular unos segundos el vapor, observándolo a través del cristal. Cuando toda el agua ha desaparecido del cristal, ir cerrando lentamente la válvula de purga. Una vez cerrada la válvula de purga, abrir lentamente la válvula de entrada de agua. Esta operación debe realizarse lentamente para evitar un golpe de presión sobre el cristal, impidiendo así una posible rotura del mismo.

NOTA: Esta operación deberá realizarse dos veces seguidas como mínimo por cada aparato. La caldera durante la misma deberá tener, como mínimo, unos 2 Kg/cm de presión.

2) Comprobación de alarma, desconexión y bloqueo del quemador por bajo nivel de agua

Ambos controles de nivel deben accionar la alarma y bloquear el quemador por bajo nivel de agua. Al volver todo el sistema a la posición inicial de acuerdo con el punto 1 accionando además el pulsador de desbloqueo, el quemador debe ponerse en marcha automáticamente si hay demanda de vapor.

NOTA: La operación indicada en el punto 2 se considera junto con el 1 de la máxima importancia. Por tanto, cuando se advierta cualquier anomalía durante la ejecución de la misma, debe comunicarse al servicio de mantenimiento correspondiente.

3) Comprobación del control de llama en marcha continua

Cuando el equipo de combustión se encuentra funcionando, retirar la célula fotoeléctrica de su emplazamiento. Con la mano tapar totalmente la parte sensible de la misma, de forma que no pueda llegarle ninguna luz, y a los cinco (5) segundos, aproximadamente, de hacer esta operación, el quemador deberá interrumpir la combustión, y se encenderá la lámpara de bloqueo. Para volver a poner el quemador en marcha, se introducirá la célula en su emplazamiento, cuidando que su parte sensible esté dirigida a la llama, y a continuación se accionará el pulsador de rearme o desbloqueo.

4) Comprobación del control de llama durante el encendido.

Con el quemador, retirar la célula fotoeléctrica de su emplazamiento y proceder a la puesta en marcha en automático. Cuando empiece a girar el quemador, tapar la célula fotoeléctrica con la mano, de forma que no llegue ninguna luz. Esperar en esta situación el desarrollo del programa. Llegará un instante en el cual se

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podrá escuchar el golpe de apertura de la válvula solenoide de combustible principal, en ese instante, debe encenderse el quemador y la combustión se mantendrá perfectamente durante unos tres segundos aproximadamente, pasados los cuales en el quemador deberá desaparecer la llama y se encenderá la lámpara de bloqueo. Si esto no sucede así, avisar al servicio de mantenimiento correspondiente.

Para volver a poner en marcha el quemador, se introducirá la célula en su emplazamiento, cuidando que su parte sensible esté dirigida hacia la llama, y a continuación se accionará el pulsador de rearme o desbloqueo.

NOTA: Aprovechando las operaciones de los puntos 3 y 4, se observará si la parte sensible de la célula fotoeléctrica se encuentra limpia. Si no es así, se le pasará un paño que ha de ser suave para no rayar el cristal.

5) Control de las características del agua de alimentación de la caldera

Se deberá observar que el agua tratada que se está introduciendo en la caldera reúne las condiciones específicas para los generadores de que se trate (acuotubulares o pirotubulares.)

• Cada semana

Se comprobara: la instalación Las tuberías (deterioros y estado del aislamiento) Los aparatos e intercambiadores de calor (suciedad, purgas, filtros...) Se comprobará la ausencia de transpiración y fugas por los prensaestopas, juntas, etc., y reponiendo estos elementos en caso preciso Las bombas (ruidos o vibraciones anormales) Válvulas de seguridad, aparatos de control y el correcto estado de los pilotos de señalización.

• Cada mes

Sé deberá hacer una limpieza de la instalación, comprobando si los niveles de líquido son los correctos. Limpieza del hollín de los tubos del generador, mediante cepillo, aire comprimido, etc., retirando para ello

las tapas que la caldera incorpora a tal fin. Al mismo tiempo que se efectúa la operación descrita en el circuito de humos, se procederá a la limpieza de las partes internas de la caja de humos, así como a repasar las juntas, tornillos de sujeción, etc., para conseguir una perfecta estanqueidad en su posterior montaje.

Como carácter general también se comprobaran los manómetros, termómetros, presostatos y termostatos.

• Cada seis meses

Se mirara el estado de juntas y acoplamientos (corrosión). Revisión y limpieza de los equipos de regulación de combustión, nivel, etc., así como a su posterior

puesta a punto. A tal fin, se seguirán las instrucciones específicas que faciliten las firmas fabricantes de los citados equipos y que serán incluidas en la información general de entretenimiento y servicio que se entrega al futuro usuario del generador.

Se realizara una revisión de las purgas, se comprobara si hay fugas. También se realizara un engrasado de válvulas.

• Cada año

- De la instalación: Se inspeccionarán y se limpiarán los filtros. Se cambiarán los cartuchos secadores. Se comprobará el estado de los refrigerantes.

- De las tuberías: Se comprobara se presentan corrosiones o picaduras. Se comprobara si hay condensación o escarcha. Se comprobará si el aislamiento y la barrera de vapor están deteriorados. Se comprobará si presentan daños mecánicos.

- De los aparatos a presión: Se comprobarán la suciedad y las incrustaciones en el lado del agua. Se comprobarán los ventiladores

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Se comprobará el estado de aislamiento. Se comprobará el estado de la pintura en el condensador evaporativo.

- De carácter general: Se comprobará el estado de los contactores y de los aparatos eléctricos. Se comprobará el nivel de aceite en el transformador. Se realizará el engrase de cojinetes. Se vaciarán los circuitos de agua.

Del análisis y valoración indicados y con los datos tomados, se pueden determinar si las condiciones reales de funcionamiento para saber si este es correcto o no. Independientemente de esa valoración, existen determinadas practicas, fruto de la experiencia, que nos ayudaran a saber si el funcionamiento de la instalación es correcto.

Purga

Los purgadores van en la parte más baja de la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los lodos, sedimentos y espumas. Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente. En ocasiones se emplea un purgado (por el fondo ) continuo, por medio de un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida que se precipitan. No obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay que abrirlos de vez en cuando para sacar completamente los lodos acumulados.

Proceso de purgado:

- Enchufar una manguera en el extremo del tubo de purga. - Llevar el otro extremo de la manguera a un recipiente colocado en un lugar accesible y ventilado. - Girar ¼ de vuelta la tuerca del extremo del tubo de purga. - Abrir ¼ de vuelta la válvula de paso y comprobar que sale nuestro fluido. - Controlar el flujo de salida de aceite mediante la válvula de paso, para que la purga se haga lentamente. - Cuando cese de salir el fluido, cerrar la válvula de paso. - Retirar la manguera - Apretar la tuerca del extremo del tubo.

Limpieza y mantenimiento

Fuera de servicio

Para complementar este estudio sobre Calderas Industriales y salas de calderas, daremos unas indicaciones sobre el mantenimiento de una caldera cuando la dejemos fuera de servicio durante un tiempo mayor de 30 días. De esta forma la caldera estará lista para su servicio cuando la necesitemos.

Mantenimiento fuera de servicio

Toda caldera cuyo servicio no se precise durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo que la exponga al peligro de sufrir corrosiones internas y externas, deberá acondicionarse debidamente para que durante esta época de inactividad quede preservada de la oxidación.

Cuando la caldera tenga que estar fuera de servicio durante varios meses y no esté expuesta a que se recurra a ella al menor aviso el “Procedimiento Seco” de conservación es el más conveniente. En cambio, en aquellos casos en que la caldera vaya a permanecer inactiva únicamente durante unas semanas y sujeta a entrar en servicio en cualquier momento, el “Procedimiento Húmedo” es el que aconsejamos practicar, puesto que la caldera puede quedar dispuesta enseguida para su encendido con sólo dejar correr parte del agua que necesita para elevar el nivel de los indicadores.

Cualquiera que sea el procedimiento que se adopte, la consecución de los resultados apetecidos depende en gran parte de la eliminación absoluta de los sedimentos internos y materiales depositados, capaces de iniciar la corrosión.

Procedimiento seco

Cuando se adopte la conservación en seco, se tendrá especial cuidado en extraer el agua que haya quedado depositada en bolsas de que lo tuviese, al limpiar la caldera por dentro. Para este objeto, aconsejamos el empleo de un chorro de aire a presión.

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Posteriormente, la caldera puede secarse por completo con braseros de coque o por medio de una corriente de aire caliente procedente de un soplador portátil, o bien por ambas cosas dirigida a los cabezales y tubos. Una vez bien secos los elementos internos, se colocarán bandejas de cal viva, en la proporción de 1 Kg. por cada 10 m2, de superficie de calefacción, en los cabezales y tambor para que quede absorbida la humedad contenida en el aire encerrado en la caldera. Después de colocadas de nuevo las puertas de registros de hombre y las tapas de los de mano, deberán cerrarse todas las válvulas y grifos, teniendo la precaución de evitar por todos los medios que entre agua, vapor o aire en la caldera. Una vez terminada la limpieza exterior, se introducirán asimismo bandejas de cal viva en el hogar y conductos de gases, de notarse la presencia de humedad. Las puertas practicadas en la obra de fábrica y conductos deberán cerrarse por completo, así como los corta-tiros que lo serán herméticamente. En intervalos de tres meses se harán visitas de inspección, rellenando los recipientes de cal a medida que sea necesario. Se tendrá muy presente retirar todos los recipientes de cal colocados dentro o fuera de la caldera antes de llenarla de agua y encender.

La caldera queda parada, en situación de fuera de servicio y conservada en seco, bajo presión de nitrógeno, que se usa como barrera para el aire y la humedad.

Procedimiento húmedo

Al optar por el procedimiento húmedo, deberá limpiarse la caldera tanto por dentro como por fuera, llenándola después con agua de alimentación a través del economizador hasta alcanzar el nivel de trabajo. Los reactivos químicos necesarios para dar al agua la alcalinidad exigida deberán introducirse con el agua de alimentación sin interrupción alguna con el fin de evitar oscilaciones en la concentración, que de otra forma podrían producirse.

El agua introducida en la caldera deberá tener una alcalinidad cáustica hasta de 850 partes por millón cuando se trate de calderas de baja presión, siendo ésta inferior a 21 Kg/cm2, no a 35 Kg/cm2, en las que hay que levantar presión en pocos minutos sin haber sido vaciadas y llenas de nuevo. Deberá añadirse sulfito de sodio en todos los casos para conseguir una concentración de 30 partes por millón, que absorba el oxígeno que pueda contener el agua una vez hechos todos los preparativos.

Deberá sostenerse a la caldera produciendo vapor por poca presión durante varias horas, con el fin de estabilizar las condiciones del agua y eliminar el oxígeno, apagándola con el nivel de agua alto. Inmediatamente antes de que baje la presión, deberá añadirse agua de alimentación desgasificada hasta llenar por completo el tambor y el recalentador y que salga el agua por todos los grifos de aire. Se cerrarán éstos a continuación, haciendo subir la presión en la caldera hasta llegar a 1 Kg/cm2, aproximadamente, que se mantendrá por la presión estática de un depósito elevado o por medio de bomba, según convenga y sea necesario.

Terminadas todas estas operaciones, se colocarán bandejas con cal viva en el hogar y pasos de gases antes de cerrar la caldera para protegerla contra la humedad. Se repasará por último la caldera, cerrando todas las puertas y corta-tiros.

Con tiempo frío pudiera ser necesario recurrir al empleo de anticongelantes. El periodo de inactividad puede prolongarse al disponer de medios para hacer circular el agua por la

caldera, así como para recoger muestras que reflejan su estado con objeto de comprobar su alcalinidad y el contenido de sulfito. Esto significa el empleo de una bomba de circulación pequeña, dispuesta de forma que pueda tomar agua de todas las válvulas de desagüe y purga para descargarla de nuevo en el economizador por su entrada. De otra forma, el periodo de parada deberá limitarse a un mes sobre poco más o menos, al cabo del cual se procederá a encender de nuevo la caldera haciéndola funcionar a baja presión para que circule el agua y puedan tomarse muestras por si fuera necesario rectificar las operaciones químicas.

CONTROL EN CALDERAS El sistema de control de una caldera es la herramienta mediante la cual se consiguen los equilibrios de

masa y de energía de la misma ante las variaciones en la demanda de los consumidores. La energía y la masa introducidas en la caldera deben ser reguladas para conseguir las condiciones de salida deseadas. Las medidas de las variables del proceso darán al sistema la información necesaria para ello. En la Figura se muestra mediante un diagrama de bloques el esquema general del control de una caldera.

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Desde el punto de vista del equilibrio energético se debe generar una demanda de carga (de fuego), de

la cual se generarán a su vez las demandas de combustible y aire, que proporcionarán el aporte de energía necesario para mantener el equilibrio respecto a la extraída en el vapor. El control de nivel será el encargado de mantener el equilibrio entre la masa saliente en forma de vapor y la entrante en forma de agua. La temperatura del vapor será mantenida mediante el control de temperatura de éste, con su influencia, tanto en el equilibrio de energía como de masa.

En el sistema de control de una caldera, las diferentes variables interaccionan sobre los diferentes subsistemas. Así, la demanda de carga influirá sobre la temperatura de vapor, el caudal de agua sobre la presión de vapor que a su vez es la causante de la demanda de carga. Por lo tanto, todo el sistema debe ser coordinado e implementado de forma que minimice los efectos de dichas interacciones, puesto que el propio diseño del sistema las puede aumentar.

Una regla general de implementación será el uso de circuitos de compensación de forma que las perturbaciones en las variables no afecten al proceso. Un ejemplo de esto sería la compensación según los combustibles que se estén usando, de forma que la puesta en servicio de un nuevo combustible no modifique el combustible total que se introduce en el hogar.

Otro factor a tener en cuenta en el diseño del sistema de control, es la interferencia de los ruidos en el sistema, ya sean ruidos en las medidas o en el proceso. Un ejemplo del primer caso sería el ruido típico en la medida de un caudal, y del segundo la pulsación que se produce en el hogar. Dependiendo de la relación entre el ruido y la medida en sí, puede hacerse necesario la implementación de algún tipo de filtrado, aumento en la calibración de los transmisores, etc.

Control de nivel/agua de alimentación

Objetivo

Los principales objetivos del control de nivel en una caldera son los siguientes: 1. Controlar el nivel en el valor deseado. 2. Minimizar la interacción con el control de combustión. 3. Crear suaves cambios en el agua almacenada ante los cambios de carga. 4. Equilibrar adecuadamente la salida de vapor con la entrada de agua. 5. Compensar las variaciones de presión del agua de alimentación sin perturbar el proceso ni modificar

el punto de operación. Particularmente importante es el minimizar la interacción con el control de combustión. Esta interacción

se acentúa con el suministro desigual de agua de alimentación, que afecta a la presión de vapor y que conlleva modificaciones en la demanda de fuego sin existir variaciones en la demanda de vapor. Estas variaciones en el fuego de la caldera producen a su vez incrementos y decrementos en la presión con las consiguientes perturbaciones en la caldera que acentúan el problema.

Filosofía del control

El control de nivel de una caldera tiene varias particularidades debido su especial comportamiento. Las principales son el esponjamiento y la contracción que se producen en el nivel ante los cambios de carga de vapor, y que modifica el nivel en la dirección opuesta a la que intuitivamente se espera que ocurra ante dicho cambio de carga. Así, ante un incremento en la demanda de vapor, el nivel en lugar de disminuir al extraerse más vapor, se incrementa temporalmente debido a la disminución de la presión provocada por el

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aumento de consumo. Esta disminución en la presión provoca un aumento en la evaporación y en el tamaño de las burbujas de vapor (esponjamiento) que hace aumentar el nivel. Por el contrario, ante una disminución en la carga, en lugar de producirse un aumento en el nivel debido a la disminución del caudal de vapor, se produce una disminución debida al aumento de la presión. Esta origina una menor evaporación y un menor tamaño en las burbujas de vapor (contracción) que hace disminuir el nivel.

Control a un elemento

El típico control de nivel de un elemento que mide la variable (entrada de agua) y regula el caudal de aportación o extracción mediante un controlador no es el adecuado para el domo de una caldera, aunque en aquellas calderas pequeñas en las que el domo es relativamente grande, y en donde los cambios de carga se producen de una manera lenta, de forma que la presión no se ve muy afectada por dichos cambios, se puede implementar este tipo de control de un elemento.

Control a dos elementos

El caudal de vapor es la señal índice que anticipa una variación en las necesidades de aportación de agua, de forma que se establecerá una relación entre éste y la posición de la válvula. Por otra parte, para el correcto funcionamiento de esta estrategia, es imprescindible que la relación entre la posición del elemento de control y el caudal aportado por éste no cambie y sea conocida, de forma que para unas condiciones de demanda de vapor dadas, sepamos en qué posición se ha de situar el elemento de control. Con este diseño, los objetivos expuestos anteriormente se cumplen, a excepción del de variaciones en la presión de suministro del agua de alimentación, puesto que esto haría que la relación entre posición y caudal variase.

Puesto que en este diseño ante un aumento en el caudal de vapor, éste pedirá más agua al tiempo que el nivel hará lo contrario, el ajuste adecuado de estas acciones nos permitirá evitar cambios inmediatos en la cantidad de agua y cumplir con el requisito expuesto anteriormente.

Aunque este diseño cumple con la mayoría de los objetivos requeridos para un correcto control del agua de alimentación, tiene un gran inconveniente al no ser capaz de absorber las modificaciones en la presión de suministro.

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Control a tres elementos

Hemos visto que en el control a dos elementos se utilizaban el nivel y el caudal de vapor. Para conseguir un control de tres elementos añadiremos la medida del caudal de agua de alimentación. Con ello, solucionaremos los problemas planteados con anterioridad sobre la necesidad de repetitividad en el elemento final.

Control de temperatura del vapor

Objetivo

Existen calderas cuya producción es vapor saturado, de tal forma que la temperatura del vapor viene marcada por la presión de operación, pues son variables directamente relacionadas. También existen calderas en las que el vapor es sobrecalentado de forma ligera para su mejor conducción o consumo, pero que se dimensionan de forma que las modificaciones en la temperatura del vapor no sean importantes de cara al consumidor. Sin embargo, hay gran cantidad de calderas en las que el vapor generado ha de estar a una cierta temperatura, que asegure el correcto funcionamiento de sus consumidores. En estos casos, en los que normalmente el grado de sobrecalentamiento es mayor, la imposibilidad de diseñar la caldera para que en todas las cargas requeridas produzca el vapor a la temperatura deseada, obliga a controlar ésta de forma que se mantenga dentro de los márgenes de operación deseados.

Filosofía del control

Existen distintos métodos de control de la temperatura del vapor, algunos basados en mecanismos de control de la parte gases y otros en la parte de agua de la caldera. Los primeros son típicos de calderas de centrales térmicas y su uso en calderas industriales es poco frecuente. Los segundos, más extendidos, consisten en atemperar el vapor bien mediante la inyección directa de agua, bien mediante el uso de un intercambiador de calor agua-vapor. El primer método desde un punto de vista de control tendrá una constante de tiempo menor y su respuesta será más rápida. Sin embargo, al introducir agua en el vapor la calidad de éste vendrá modificada por aquélla. En el segundo caso esta posible contaminación del vapor no existe, pero la respuesta del sistema y por tanto su constante de tiempo será mucho mayor, con los inconvenientes que esto puede originar al proceso y al ajuste del sistema de control.

Control de la demanda

Objetivo

El objetivo de este lazo es generar una señal de demanda de carga para los quemadores que mantenga el equilibrio entre la energía entregada y suministrada por el sistema. Al mantener este equilibrio se asegurara una producción de vapor en las condiciones de operación necesarias para todo el rango de funcionamiento.

Filosofía del control

La demanda de una caldera la generan los usuarios del vapor. Cuando los consumidores abren sus válvulas demandando más vapor (energía), el aumento en el caudal provoca que la presión de éste caiga. La magnitud de la caída de la presión depende del volumen de agua, del de vapor, de la magnitud del cambio en la demanda y de la demanda en sí. El colector de vapor es el punto en el que se establece el equilibrio entre la energía demandada por los usuarios del sistema y la energía entregada al sistema por el combustible y el aire. Para un caudal de vapor dado, que la presión en el colector permanezca constante

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indicará que existe un equilibrio entre la energía suministrada y la demandada. Por otra parte, podremos decir que existe una relación 1:1 entre el caudal de vapor y de energía sólo cuando las condiciones de presión y temperatura del vapor no sufren variaciones considerables. Sobre estas premisas se puede establecer lo siguiente:

• La demanda de vapor = caudal de vapor + error en presión.

• El suministro = combustible + aire + agua + el cambio de energía almacenada en el sistema.

• El consumo = vapor de los consumidores.

• El punto de balance será el colector de vapor.

• La presión se mantendrá en su consigna cuando el consumo sea igual al suministro siendo constante la energía almacenada.

• Un aumento en la presión significará que el suministro es superior al consumo.

• Un descenso en la presión significará que el consumo es superior al suministro.

HOGARES El hogar es la cámara donde se efectúa la combustión. La misma confina el producto de la combustión y

puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Dado que los generadores de vapor son esencialmente intercambiadores, y que el calor a transferir proviene de la energía del combustible, se puede inferir que el hogar constituye el transductor primario de la energía. Por ello, la gran influencia de este conjunto en el rendimiento global de una instalación.

Las dimensiones y geometría del hogar se adaptan al tipo de combustible, al método de combustión y a la velocidad de liberación del calor, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza.

La forma y dimensiones del hogar deben permitir que el combustible queme completamente antes que los gases de combustión toquen las superficies de la caldera que están mucho mas frías que ellos, y evitar así que se deposite sobre las mismas hollín. Este cuerpo, al depositarse forma una capa que aumenta el espesor de la chapa transfiriendo entonces menos calor al agua de la caldera. Los gases de la chimenea saldrán por lo tanto mas calientes originándose mayores perdidas.

La combustión se completa siempre dentro de los límites del hogar si la caldera está bien diseñada y funciona perfectamente.

El primer paso para el proyecto de un hogar de caldera consiste en analizar condiciones de funcionamiento, tales como:

• Clase de combustible a utilizar: El tipo de combustible que se utilizará puede predecir en primera aproximación el volumen físico requerido, así como también la geometría para el hogar y ciertas partes constitutivas ya que para cada tipo de combustible en cada tipo de hogar se libera normalmente una determinada cantidad de unidades de energía por unidad de volumen, unidad de tiempo y temperatura prevista del hogar.

• Máxima generación de vapor y probables limites de carga de la caldera: Al hablar de carga nos referimos a la solicitación de vapor del sistema, esto implica que para el diseño de una unidad generadora de vapor, es necesario determinar las siguientes características de la carga:

1. Carga mínima, normal y máxima. 2. Naturaleza de la carga, constante o intermitente.

Es decir, el diseño determinará la capacidad de la caldera para sostener una carga normal con una eficiencia alta.

• Presión de funcionamiento y temperatura total deseada: Aquella presión y temperatura a la que estará sometida la caldera en la instalación influyen entre otras cosas en la resistencia mecánica de los materiales constitutivos de la caldera y su consiguiente desempeño y duración. Las paredes del hogar deben estar soportadas de forma adecuada tomando en cuenta la expansión térmica con montantes de refuerzos para resistir las fuerzas laterales causadas por la diferencia entre la presión del hogar y la de la atmósfera que lo rodea.

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Mediante ensayos y correlaciones de datos de temperaturas de humos, se ha encontrado que la temperatura de los humos a la salida del hogar está relacionada con el aporte de calor por el combustible y con la efectividad de las paredes del hogar.

Refrigeración de los hogares

El hogar es netamente un recinto delimitado por paredes, techo y piso de agua. Estas últimas están compuestas por tubos unidos entre sí por una membrana metálica, más conocidos como paredes membrana o paredes de agua. En ellas es en donde se produce el cambio de estado agua en vapor, o sea que la temperatura de la mezcla que circula dentro de éstos, es la correspondiente a la de saturación a la presión del domo.

Los hogares enfriados por agua se utilizan en la mayor parte de unidades de calderas, es decir en su gran mayoría, y para todos los tipos de combustible y métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y, en consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que satisfaga los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación. Las construcciones de tubos enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar y optimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas paredes divisoras, para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de combustión. El uso de hogares con enfriamiento por agua reduce las perdidas de calor al exterior.

Una serie de tubos que forman las llamadas paredes de agua que le dan la forma y encierran la zona

radiante de la caldera pues allí el calor es transmitido principalmente por radiación.

Distintos tipos de hogares:

o Según la colocación de los quemadores el hogar de la caldera puede ser:

• Paralelos: Cuando los quemadores están colocados al frente o al frente y atrás.

• Turbulento: Cuando los quemadores están ubicados en las esquinas e inyectan el combustible en forma

tangencial. Este tipo de hornos es ideal para la quema de carbón pues ofrece mayor turbulencia y mejor mezcla aire/combustible. El hogar de la caldera debe cumplir básicamente con los siguientes requisitos:

- Tener capacidad para admitir el volumen de aire necesario para la combustión. - Tener suficiente altura para asegurar circulación adecuada de agua por los tubos. - Tener dimensión suficiente para evitar que la llama ataque las paredes de tubos. - Tener forma y dimensiones adecuadas para asegurar que los gases llene el hogar proporcionando

absorción térmica optima en todas las partes. - La tubería del hogar debe ser de la mayor longitud posible para minimizar las soldaduras.

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o Según el tipo de combustible utilizado:

• Hogares para combustibles sólidos:

El combustible más utilizado es el carbón, en calderas mas antiguas se usaba el carbón con un tamaño relativamente grande, en las más modernas se usa el carbón pulverizado. Este tipo de calderas disponen de una serie de elementos distintivos como ser:

- Sistema de combustión formado por un sistema de alimentación de combustible que se coloca sobre la parrilla. En esta es donde se realiza la combustión propiamente dicha. La parrilla puede ser fija, móvil o vibratoria para favorecer la eliminación de las cenizas. También puede ser de alimentación superior o inferior en función del punto de fusión de las cenizas y la facilidad para eliminarlas. También dispone de un sistema de un mechero de fuel o gas que permite encender o mantener la llama encendida.

- Cenicero para la recogida de polvos que se generan en el proceso de combustión El más común de este tipo de hogares es el:

Hogar de emparrillado mecánico:

Los hogares mecánicos se diseñan para que el combustible se alimente mediante una parrilla, en la que se quema con aire comburente ascendente, que pasa a través de la misma. La parrilla se ubica en el hogar de la caldera y está diseñada para evacuar los residuos o cenizas de la combustión, que quedan tras el proceso; esta tecnología se desarrolla para quemar un amplio rango de combustibles en aplicaciones industriales.

El campo de los combustibles utilizados se extiende desde todos los tipos de carbones, hasta desechos de

bagazo, cáscaras de almendras y arroz, basuras, etc. En un hogar mecánico se pueden quemar casi todos los tipos de carbones; sobre parrilla se pueden quemar las basuras, madera, cortezas, pozos, cáscaras, etc., solos o en combinación con el carbón, fuel oil y gas natural.

Los modernos sistemas de combustión en hogares mecánicos se componen de: - Un sistema de carga o alimentación de combustible - Una parrilla, estacionaria o móvil, que soporta la masa en combustión del combustible y admite a su

través la mayor parte del aire comburente - Un sistema de descarga de cenizas

Hay dos tipos generales de alimentación de hogares mecánicos, de carga superior e inferior - En los hogares mecánicos de carga superior, el combustible se suministra sobre la parrilla mediante

cargadores, mientras que el aire comburente se alimenta desde la parte inferior de la parrilla - En los hogares mecánicos de carga inferior, el combustible y el aire comburente se suministran desde la

parte inferior de la parrilla del hogar

• Hogares para combustibles sólidos líquidos y gaseosos:

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Los hogares para estos tipos de combustibles son mas sencillos porque el sistema de combustión se limita a los quemadores y por ende el hogar puede estar mas fácilmente formado por los propios tubos de la caldera (pantallas de agua). El mas utilizado industrialmente es el:

Hogar ciclónico:

En el caso de las calderas de combustible pulverizado la combustión no se realiza sobre parrillas sino en quemadores de manera similar a los de combustible líquido y gaseoso, los cuales mediante el movimiento circular permiten eliminar las cenizas y mejorar la estabilidad de la llama.

o Otros tipos de hogares:

De acuerdo al tipo de caldera puede haber otra clase de hogares, si nos referimos a las calderas pirotubulares, los hogares pueden ser internos o externos. Los primeros son aquellos que se encuentran completamente rodeados por el agua de la caldera. Consta esencialmente de un cuerpo cilíndrico cerrado por medio de dos placas que se unen entre sí con dos barras de refuerzo para evitar las deformaciones que originan los grandes esfuerzos. Estos hogares utilizan tubos corrugados para una mejor operación y transferencia de calor, estos tubos se encuentran fijados, por un lado, a la chapa frontal de la caldera y por la otra extremidad a la cámara de humo donde desembocan los gases de combustión

En cuanto a los de hogar exterior constan esencialmente de un cuerpo cilíndrico cerrado por medio de

dos placas que se unen entre sí con dos barras de refuerzo para evitar las deformaciones que originan los grandes esfuerzos. Estos hogares se encuentran fuera del alcance del cuerpo de agua, o sea, no tienen un contacto directo con el cuerpo de agua a evaporar

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COMBUSTION

Introducción

Definimos la combustión como una reacción química rápida exotérmica en la que se realiza la oxidación de una sustancia y la reducción de otra. Para que se produzca la combustión es necesario que estén presentes tres elementos fundamentales:

• Comburente : es la sustancia que se reduce. El comburente más habitual es el oxígeno contenido en el aire atmosférico.

• Combustible : la sustancia que se oxida, es decir, el elemento que se quema. Los más habituales son C, H, O y a veces, N y S.

• Temperatura de ignición : debe ser lo suficientemente elevada como para producir el encendido. Las reacciones químicas deben satisfacer unas condiciones para que tengan lugar en el proceso de

combustión:

• Adecuada proporción entre combustible y comburente.

• La mezcla de las dos sustancias debe ser uniforme.

• La temperatura de ignición se establecerá y será monitorizada de manera que el combustible continúe su ignición sin calor externo cuando comience la combustión.

Tipos de combustión:

• Combustión con exceso de aire: Existe una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza exceso de aire, no se producen inquemados.

• Combustión con defecto de aire: Es la que se lleva a cabo con menor cantidad que el aire mínimo necesario. Cuando se utiliza un defecto de aire tiene a producirse inquemados.

• Combustión completa: Es aquella donde el carbono se consume completamente; caso contrario la combustión es incompleta.

• Combustión perfecta: Es aquella en la cual el carbono se transforma totalmente en CO2; En el caso de producirse CO la combustión imperfecta.

Las tres funciones más importantes que tiene un hogar desde el punto de vista de la combustión son: a) Proveer el espacio necesario para acomodar la llama, sin que ésta toque los tubos. De no evitar esto,

se corre el riesgo de la extinción anticipada de los extremos de la llama que entran en contacto con los tubos, ya que estos últimos están a mucho menor temperatura que la llama. Este fenómeno se exterioriza mediante la emisión de humos, producto de una combustión incompleta.

b) Mantener la temperatura de la llama y de los gases lo más alta posible durante el tiempo necesario con la finalidad de que la combustión se complete sin humos ó cenizas.

c) Proveer un recinto hermético que evite las fugas de gases o entrada de aire ajeno a la combustión.

Exceso de aire

El exceso de aire se debe a que el tamaño de las partículas del combustible impide una mezcla perfecta entre el combustible y el comburente y a que el tiempo que permanece la mezcla dentro del hogar es muy corta, saliendo por la chimenea una parte de aire que no ha reaccionado. Al introducir mayor comburente, aparecen reacciones secundarias. Esto obliga a emplear una cantidad real de aire comburente mayor del aire mínimo de combustión; por tanto, el exceso de aire es la diferencia entre el aire realmente introducido y el aire mínimo calculado.

Se queman las sustancias combustibles del combustible, hasta el máximo grado de oxidación, esto quiere decir que no tendremos sustancias combustibles en los humos. Un punto critico la posible formación de ácido sulfúrico generado por el azufre que contienen los combustibles provoca corrosiones en los conductos y chimeneas cuando se condensa por debajo de 150ºC; si se producen estos ácidos, tendremos que evacuar los humos a temperaturas superiores por la chimenea, con lo que se producen pérdidas de calor importantes (Pérdidas por el calor sensible de los humos).

Rendimiento de la combustión

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El rendimiento de combustión es la relación entre la fracción de energía realmente liberada en el proceso, y el total teórico disponible, que da una idea del grado de aprovechamiento del combustible, para las condiciones de trabajo dadas.

El factor que tiende a disminuir dicho rendimiento es el escaso tiempo disponible para el proceso, para controlar ese factor se debe aumentar el tiempo o “estadía” de los gases en el hogar, para lo cual se puede aumentar el recorrido de los gases aumentando las dimensiones, o bien, aumentar dicho recorrido sin aumentar las dimensiones físicas del hogar, pero modificando la circulación en forma de flujo helicoidal (hogares ciclónicos).

El hogar de una unidad convencional de carbón pulverizado (relativamente grande), facilita un tiempo de residencia suficiente para que el O2 pueda penetrar en los productos de combustión que se mantienen alrededor de las partículas de carbón y para refrigerar la ceniza a fin de evitar el ensuciamiento del paso de convección. De esta forma se pueden utilizar combustibles residuales sin riesgo de emisiones peligrosas ni problemas operativos.

Los diferentes tipos de combustibles implican diferentes porcentajes de exceso de aire para el funcionamiento satisfactorio.

El tipo de combustible no solamente determina la configuración física de los quemadores y el hogar, sino que también determina el flujo de aire requerido, como por ejemplo:

- Carbón y combustibles sólidos en general: 20 a 30% de exceso de aire - Combustibles líquidos: 15% - Combustibles gaseosos: 10 a 15%

Control de la combustión:

Para el control de la combustión es necesario regular la entrada de combustible para mantener un suministro continuo de vapor a una presión constante, y de regular la entrada de aire a la caldera en proporción correcta a la entrada de combustible.

Actualmente comienza a haber importantes cambios económicos y de las condiciones de funcionamiento de la industria. Por lo tanto, es rentable introducir sistemas de control de tecnología avanzada para:

- Mantener una presión del vapor constante y un caudal acorde con las variaciones de la carga. - Optimizar el consumo de combustible a través de un aumento en el rendimiento. - Reducir las emisiones contaminantes.

Métodos de control de la combustión

• Control mecánico:

La variable primaria a controlar es la presión de vapor, la cual es medida por un presostato modulante. Dicha señal posiciona eléctricamente un motor que acciona directamente la válvula de fuel oil. El motor acciona a la vez una leva mecánica que mueve el corta tiros de regulación del aire comburente. Esta leva esta diseñada para mantener constante la relación aire-combustible a las diferentes marchas de la caldera.

• Control neumático directo:

La variable a controlar es la presión del vapor y el sistema mecánico anterior se ha sido sustituido por un sistema neumático.

Tanto este sistema como el anterior funcionan teniendo en cuenta unas condiciones de combustión impuestas, es decir, de una relación aire/combustible prefijadas de antemano.

No todo son ventajas, en nuestra contra aparecen desequilibrios en la combustión prefijada, produciéndose oscuridad de humos e inquemados

• Control de medida en serie:

La presión de vapor actúa posicionando la válvula de entrada del combustible. El caudal de combustible medido posiciona el cortatiros de regulación del aire comburente a través de una estación manual de relación aire-combustible. Podemos mejorar el sistema introduciendo las medidas de caudal de combustible y aire comburente, que actúan como amortiguamiento del sistema. Al principio actúa sobre el combustible, lo que implica una existencia de un desfase en determinados momentos o prolongados que significa un mayor consumo no justificado.

• Control de medida en paralelo:

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El aire y el combustible responden simultáneamente a las variaciones de la carga, en vez de responder primero uno de ellos y luego el otro, por tanto, se reducen los periodos transitorios.

• Control de medida en paralelo con límites cruzados:

Con este sistema se consigue que siempre se disponga de aire en exceso para la combustión ya que: - Cuando aumenta la carga, aumenta primero el caudal de aire y luego el caudal de combustible. - Cuando disminuye la carga, se reduce primero el combustible y después el aire

COMBUSTIBLES Combustible es toda sustancia capaz de arder, es decir, aquella capaz de combinarse con el oxígeno en

una reacción exotérmica.

Las características más importantes de los combustibles son:

• Poder Calorífico : Es la energía por unidad de masa del combustible que se libera en una combustión completa y perfecta.

• Poder Calorífico Superior (PCS): Tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua generada en la combustión.

• Poder Calorífico Inferior (PCI) : No tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua formada en la combustión.

• Poder Comburívoro : Es la masa de aire necesaria para realizar la combustión estequiométrica de 1 Kg. de combustible.

• Poder Fumígero : Es la masa de humos secos producidos en la combustión de 1 Kg. de combustible.

• Límites de Inflamabilidad (Inferior / Superior) (Li / Ls) : Es el valor mínimo / máximo del porcentaje de combustible que debe estar presente en la mezcla para que se produzca la combustión.

• Temperatura de combustión : Es la temperatura, superior a la de inflamación, a la que se produce la combustión de los vapores de un combustible durante 5 o más segundos cuando se pone en contacto con una llama.

Tipos de combustibles

Los distintos tipos de combustibles se clasifican en el siguiente cuadro:

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o Combustibles Sólidos Dentro de este tipo de combustibles se tienen:

• Madera : Es el combustible más antiguo y más tradicional. Si bien es económico, no presenta gran interés en la industria por no tener un elevado poder calorífico.

• Carbón Natural : Combustible fósil sólido, formado a partir de antiguas plantas que crecieron en pantanos o a lo largo de las costas. Los tipos de carbón natural con sus características más sobresalientes son:

1. Turbas: Contenido en Carbono: 50-60 %; Humedad: 70-80 %; PCI = 750 Kcal/Kg

2. Lignitos: Contenido en Carbono: 65-75 %; Humedad: 50-70 %; PCI = 3500 Kcal/Kg

3. Hullas: Contenido en Carbono: 75-85 %; Humedad: 5-15 %; PCI = 8500 Kcal/Kg

4. Antracita: Contenido de Carbono: > 90 %; Humedad:< 3 %; PCI = 8000 Kcal/Kg

El contenido de humedad es igual a la masa de agua evaporada dividida por la masa de la muestra. El contenido de humedad de una muestra de combustible produce una pérdida de poder calorífico del mismo.

La Antracita, si bien no es el carbón de mayor poder calorífico, es el mejor combustible de los carbones por su alta composición en Carbono y escaso porcentaje de humedad.

• Carbón Vegetal : La madera es un compuesto formado por Oxígeno, Hidrógeno, Carbono y Nitrógeno. Estos elementos se transforman en otros compuestos a través de la combustión. Si se quemara la madera al aire libre, se logra que ésta se consuma por completo; en cambio si la misma se quemara en espacios cerrados que sólo dispongan unas pequeñas aberturas para el paso del aire, se logrará que las sustancias que necesitan menos cantidad de oxígeno ardan antes que las otras. De esta forma, una vez que se detenga la combustión de manera adecuada, se podrá recoger las sustancias de la madera que no han entrado en combustión, las cuales forman lo que se denomina Carbón Vegetal. Por lo expuesto, se entiende que el carbón vegetal no es más que leña que ha sufrido una combustión incompleta. Posee un calor específico inferior del orden de 6500 Kcal/Kg.

o Combustibles Líquidos

Dentro de este tipo de combustibles, los más utilizados en la industria son aquellos derivados del petróleo. Del petróleo se obtienen los siguientes hidrocarburos, usados en la industria:

• Gasoil : Pertenecen a esta categoría de destilados puros, compuestos por una gama de hidrocarburos cuyo número de átomos de Carbono está comprendido entre 14 y 20. Su temperatura de ebullición oscila entre 220-390º C. Su punto de inflamación es 55º C, posee un poder calorífico inferior igual a 10200 Kcal/Kg.

• Fuel Oil : Son los residuos pesados de la destilación del petróleo y forma hidrocarburos entre 25 y 35 átomos de Carbono. Su punto de inflamación es 65º C, posee un poder calorífico inferior igual a 9800 Kcal/Kg.

Las propiedades más importantes de los combustibles líquidos son:

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1. Viscosidad: Resistencia de un fluido a fluir (Sirve para determinar la pérdida de carga y las condiciones de pulverización)

2. Fluidez Crítica: Temperatura a la cual el fluido deja de fluir

3. Inflamabilidad: El Punto de Llama es la temperatura a la cual el combustible produce suficiente cantidad de vapores para que la mezcla de éstos con el aire sea capaz de inflamarse al contacto con una llama piloto. Si la combustión se produce en forma espontánea, sin llama piloto, la temperatura a la cual se produjo se denomina Punto de Inflamación del combustible. Por esta razón, no debe almacenarse un combustible a temperaturas superiores a su Punto de Inflamación.

4. Contenido de Azufre: En una combustión, el Azufre genera Dióxido de Azufre en combinación con el Oxígeno del aire. Si el tiro no funciona correctamente puede condensar el vapor de agua generado en la combustión y éste en combinación con el Dióxido de Azufre dan como resultado Acido Sulfúrico (Agente corrosivo para la instalación).

5. Contenido de Agua: El contenido de Agua en un combustible disminuye su poder calorífico; razón por la cual la misma debe eliminarse o bien minimizarse.

o Combustibles Gaseosos

Dentro de este tipo de combustibles, los más usados industrialmente son:

• Gas Natural : Mezcla de hidrocarburos ligeros, formado principalmente por metano. Posee gran rendimiento, es de fácil manejo, su poder calorífico superior es igual a 9300 Kcal/m3.

• Gas Licuado de Petróleo (GLP) : Compuesto por butano y propano. Se obtiene en las operaciones de refino del petróleo. Se licua a baja temperatura y alta presión para almacenarlos (Ocupan un volumen reducido en estado líquido, aumentando el mismo aproximadamente 300 veces a temperatura ambiente y presión atmosférica). Su poder calorífico inferior es igual a 10950 Kcal/Kg.

Las propiedades más importantes de los combustibles gaseosos son:

1. Densidad Relativa (ρr) : Con respecto al aire seco a 0º C y 1 atmósfera de presión.

2. Intercambiabilidad de los gases combustibles: Dos gases que están a la misma temperatura son intercambiables entre sí en un mismo quemador cuando, con las mismas condiciones de suministro, mantienen las mismas características de combustión (Dan llamas idénticas sin cambiar la regulación y geometría de los quemadores). Para determinar la intercambiabilidad se utiliza el Indice de Wobbe:

3. Módulo de un gas: Dos gases de Indice de Wobbe diferente son intercambiables entre sí, cuando al

suministrarlos presiones diferentes, tienen el mismo módulo y producen el mismo caudal calorífico. El Módulo de un gas es:

Criterios para la elección de un combustible

Los criterios a tener en cuenta para la elección del combustible a utilizar en la caldera son:

• La ubicación geográfica de la industria.

• Las posibilidades de aprovisionamiento.

• El precio del combustible.

• Problemas ambientales derivados de su uso.

QUEMADORES Introducción

Los quemadores son los equipos donde se realiza la combustión, razón por la cual deben contener los tres lados del Triángulo de Combustión, es decir que tienen que lograr la mezcla íntima del combustible con el aire y además proporcionar la energía de activación.

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En el caso de combustibles sólidos y líquidos es necesario pulverizarlos con el objeto de aumentar considerablemente la superficie de contacto entre el dicho combustible y el aire, y permitir de este modo que la combustión se produzca en forma completa. En el caso de los combustibles sólidos, antes de pulverizarlos, deben molerse.

Los aspectos a tener en cuenta en la elección de un quemador son:

• Combustible : De acuerdo al combustible que se va a utilizar se asocia un quemador óptimo para operar con él.

• Exceso de aire : Cuanto menor sea el exceso de aire, más alta será la temperatura de los gases.

• Margen de Regulación : El margen de regulación indica la relación entre el caudal máximo y mínimo que puede consumir un quemador funcionando correctamente. Esta relación depende de:

1. Combustible utilizado.

2. Dimensiones de los conductos de aire y combustible.

3. Velocidad del aire y del combustible.

4. Forma de mezcla de los mismos.

• Estabilidad de Funcionamiento : La estabilidad de un quemador se define como la capacidad de mantener la llama dentro de los límites de su campo de regulación. Un quemador no es estable si permanece encendido únicamente cuando se emplee una llama piloto. Para lograr la estabilidad del quemador, se suele seguir alguno de los siguientes procedimientos:

1. Generar gran turbulencia en la mezcla de aire y combustible.

2. Precalentar el aire de combustión.

• Forma y Dimensiones de la Llama : La forma y dimensiones de la llama son características intrínsecas del tipo de quemador, no obstante pueden regularse dentro de determinados límites modificando alguna de las siguientes variables:

1. Turbulencia: Una buena mezcla de aire y combustible lograda por una fuerte turbulencia y altas velocidades da lugar a una llama corta e intensa mientras que una mezcla a bajas velocidades, es decir, flujo laminar, origina llamas largas y suaves.

2. Exceso de Aire: Al aumentar el exceso de aire, la llama tiende a acortarse, mientras que una disminución del mismo tiende a producir una llama más larga.

3. Presión del Aire de Combustión: El aumento de la presión del aire de combustión tiende a acortar la llama ya que se incrementa la turbulencia y la velocidad de la llama.

4. Tamaño de las Gotas Pulverizadas: A Menor tamaño de dichas gotas le corresponde una evaporación y una combustión más rápida y por consiguiente una llama más corta.

Clasificación de los quemadores

De acuerdo al tipo de combustible utilizado, se clasifican los distintos tipos de quemadores:

o Quemadores para Combustibles Sólidos

El carbón pulverizado es arrastrado por aire caliente hasta el quemador. El aire que arrastra el carbón se llama Aire Primario. Los quemadores se disponen de modo que la corriente de carbón pulverizado y el aire primario adquieran un movimiento tipo torbellino, pues así se renueva constantemente el aire alrededor de cada partícula de carbón y prosigue la combustión en forma normal.

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o Quemadores para Combustibles Líquidos

� Quemadores de Pulverización Mecánica : Son los más utilizados en la industria. Para que se produzca la pulverización del combustible, el mismo debe tener baja viscosidad (El Gas Oil posee baja viscosidad a baja temperatura, en cambio el Fuel Oil debe calentarse para disminuir su viscosidad). En este tipo de quemadores, la pulverización se realiza por medio de una tobera o chicler a la que llega el combustible a presión (del orden de 16-20 Bar) impulsado por una bomba de engranajes.

Las ventajas que presenta este tipo de quemador son: 1. Combustión homogénea. 2. Llama homogénea y encendida a la cabeza del quemador. 3. Alto rendimiento de la combustión.

� Quemadores de Pulverización Asistida : Estos quemadores se utilizan para quemar combustibles pesados como el Fuel Oil. La diferencia con los quemadores de pulverización mecánica es que a través de la tobera se conduce un fluido auxiliar que se inyecta para formar una mezcla con el combustible que se pulveriza más fácilmente a presión un poco más baja que en el caso de los quemadores anteriores (12 Bar).

� Quemadores Rotativos de Pulverización Centrífuga : En este tipo de quemadores se queman combustibles líquidos, tanto ligeros como el Gas Oil como pesados como el Fuel Oil. Una copa que gira a gran velocidad pulveriza el combustible y lo lanza perimetralmente hacia delante en forma de tronco de cono.

o Quemadores para Combustibles Gaseosos

Los quemadores más utilizados para combustibles gaseosos son:

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� Quemadores Atmosféricos : La presión del gas provoca la aspiración del aire primario para la combustión. Este tipo de quemadores son simples y de bajo costo, pero se tienen combustiones con altos índices de exceso de aire.

� Quemadores de Premezcla : En estos quemadores, el aire se mezcla con el combustible gaseoso antes de entrar al quemador, no existiendo en este caso aire secundario.

� Quemadores de Flujo Paralelo con Mezcla por Turbule ncia : El aire llega paralelo al eje del quemador y se lo hace rotar por la acción de la roseta (Dispositivo con aletas).

o Quemadores Mixtos

Se utilizan en grandes calderas para asegurar servicio continuo. Sirven para operar simultáneamente o por separado más de un combustible.

TIRO EN CALDERAS La combustión que se desarrolla en el hogar de la caldera requiere para su proceso continuo, de un

suministro adecuado de aire y de la remoción de los quemados. Esta función la desempeña el sistema de

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tiro. Es posible considerar 2 sistemas o métodos, de acuerdo con la naturaleza del mismo, el tiro natural y el artificial o mecánico.

Tiro Natural

La chimenea es la encargada de establecer la diferencia de presión necesaria para la circulación del fluido en las condiciones requeridas. Su acción se basa en la diferencia de pesos habida entre la columna de aire en su interior y otra de igual altura, exterior, en las condiciones dadas en el medio ambiente. Esta diferencia ocasiona la circulación del fluido por el interior del generador de vapor. El aire frió del medio ambiente, ingresa a la caldera y desplaza los quemados a chimenea, vence la resistencia que le significan los conductos y los aparatos intercalados en ellos. Específicamente se define como tiro: a la diferencia de presiones medida entre un punto cualquiera del sistema y la atmósfera. Es frecuente expresar esta diferencia en milímetros de columna de agua, medida por un tubo en U.

Originalmente, las primeras calderas funcionaban a tiro natural, ello debido a la simplicidad de su ejecución. Luego de efectuada la combustión en el hogar, los gases se dirigían a chimenea, sin tener que circular a través de otros equipos. La necesidad de aumentar el rendimiento económico de generación, de incrementar la producción específica de generación, hizo necesario intercalar equipos recuperadores de calor y aumentar la velocidad de desplazamiento de los quemados. Estas circunstancias y otras más, significan un incremento de las resistencias y exigencias de mayor capacidad de tiro, no siendo posible de conseguir económicamente con el recurso de chimenea. De este modo, únicamente instalaciones sencillas, de muy pequeña capacidad de generación de vapor, utilizan tiro natural. La tendencia actual aún en este tipo de ejecuciones tiende a reemplazarlo por tiro artificial, para lograr una unidad mas compacta y obviar el elevado costo de la chimenea de importante altura.

Cualquiera sea la naturaleza del tiro para la instalación del tiro adoptado para una instalación, la chimenea es indispensable. Ello para posibilitar arrojar los quemados y el posible hollín o cenizas, a una altura suficiente, para lograr una dispersión racional, sin afectar los alrededores de la instalación. Asimismo en instalaciones de tiro artificial, se la utiliza de respaldo, para disminuir los de explotación, reduciendo la energía consumida por los sistemas mecánicos de tiro artificial.

Figura 1: Esquema sencillo de funcionamiento de cal dera en central termoeléctrica.

Finalidades del tiro

• Hacer llegar al hogar el aire necesario para la combustión.

• Obliga a los gases a recorrer los conductos de humo con velocidad aceptable.

• Evacuarlos en las capas relativamente altas de la atmósfera.

Tiro necesario

Este debe ser suficiente para vencer las resistencias impuestas por el sistema y para asegurar la velocidad adecuada de los gases para que circule el caudal requerido. Donde: ∆ = hm + Σ ηp ∆: tiro necesario

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hm: presión dinámica motriz disponible para el movimiento de los gases. Σηp: suma de las pérdidas de carga. Velocidad del gas en chimeneas y conductos Tiro natural: 3 – 4 m/s (hasta 6 m/s) Tiro artificial: 10 m/s

Influencia de las condiciones atmosféricas

1- Influencia de la presión atmosférica: A mayor presión atmosférica, mayor tiro, ya que al aumentar la presión atmosférica crece el peso específico del aire, por ende también el tiro y el caudal peso.

2- Influencia de la temperatura atmosférica: fijada la temperatura de los gases en la chimenea, se observa que a menor temperatura, mayor diferencia entre ambas, y por ende mayor tiro. Lo mismo ocurre con los caudales peso y volumen.

3- Influencia del grado higrométrico: El peso específico del aire disminuye a medida que es más húmedo, por ende a menor humedad, mayor tiro. Lo mismo ocurre con los caudales peso y volumen.

4- Influencia del viento: Si el viento admite una componente hacia abajo, se opone a la salida de los humos, reduciendo la altura útil de la chimenea, en cambio se admite una componente hacia arriba favorece la salida de los humos. Además la agitación enérgica del aire aumenta el enfriamiento de los gases de la chimenea actuando en forma negativa sobre el tiro.

Conclusiones:

Combinando resultados tenemos condiciones más favorables: FRIO-SECO-CALMO-LUGAR BAJO El tiro proporcionado por una determinada chimenea, varía con la temperatura de la columna de gases calientes que circula por su interior. Aumenta con la temperatura. Igualmente varía el volumen específico de los gases. El peso de gases descargados por una determinada chimenea, aumenta con la temperatura hasta un determinado valor de ésta y luego disminuye. Ello porque la velocidad de crecimiento del volumen específico es mayor que la del tiro. Para incrementar el peso de gases a descargar, se habrá de aumentar la sección de la chimenea.

Si por ejemplo tenemos que conseguir un tiro de 1,1 pulgada de columna de agua (aproximadamente 28mm.) con temperatura promedio de gases en chimenea de 260 C se requiere una chimenea de 54 m.

Cabe señalar que lo general de las instalaciones de generación de vapor para centrales eléctricas, exigen un tiro total mayor de 300mm. de col. De H2O. Se apreciará entonces la altura que sería necesario dotar a una chimenea para obtener tal valor de tiro.

De acuerdo a la concepción actual, la temperatura de gases a chimenea de 260 C, se considera excesiva, limitándose a valores que oscilan entre los 150 C. Cuanto mayor es la altura de la chimenea mayor resultan las pérdidas de calor por sus paredes. Bajo este aspecto, será conveniente una ejecución de mampostería refractaria, en ves de metálica, de menor costo. Estas últimas, solamente se emplean cuando la función de la chimenea es la de dispersión de los quemados a una altura tal que no afecte a los alrededores. Otro factor importante de considerar, consiste en la naturaleza del tiro que efectúa la chimenea. Provoca una depresión general en todo el generador de vapor. Será menester asegurar la mayor hermeticidad posible a la instalación, tendiente a evitar el ingreso no controlado de aire al generador de vapor. Situación muy difícil de resolver económicamente.

Resulta así que, de acuerdo a la concepción actual, el tiro natural no resulta racional, resulta indispensable el tiro artificial. El tiro natural se limita a instalaciones primarias, de mínima importancia. La chimenea, o sirve para dispersión de los quemados (ejecución metálica) o bien como respaldo a la de tiro artificial, para disminuir los costos de explotación. En este caso la ejecución es de hormigón revestido con mampostería. En algunos casos alcanza alturas de hasta 150 metros.

Tiro Artificial

La diferencia de presión necesaria para la circulación del fluido por el generador de vapor, queda a cargo de los ventiladores. Eventualmente respaldados por chimenea. Según la posición relativa de los ventiladores en la instalación, se la puede clasificar como:

• Tiro forzado

• Tiro inducido o aspirado

• Tiro balanceado o equilibrado

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Ventajas: - Suprime la chimenea, que para asegurar el tiro en todas las circunstancias, debe calcularse para las

condiciones mas desfavorables, lo que conduce muchas veces a dimensiones excesivas, sobre todo con calderas de rendimiento elevado (gases fríos).

- Permite regulación sencilla. - Es independiente de las condiciones atmosféricas. - Se adapta más fácilmente a las variaciones de carga de la central aún cuando estas sean bruscas. - Se pueden quemar carbones de calidad inferior, de menor costo, que requieren casi siempre, tiros más

fuertes que los que se obtienen con las chimeneas. - Se recomienda para quemar menudos, o cuando el espesor del lecho de combustible es grande, pues

permite vencer la resistencia que ellos oponen al paso del aire. - Resuelven económicamente el problema de los picos de carga en las centrales forzando la vaporización

de las calderas de servicio normal. Desventajas:

- El gasto de energía, que crece rápidamente con la presión o depresión requerida. - La combustión debe regularse cuidadosamente para evitar excesos de aire que son fuertes pérdidas.

Tiro Forzado

Con el tiro forzado se hace llegar el aire a presión, por debajo del emparrillado utilizando ventiladores o eyectores de vapor.

Estos insuflan aire venciendo la resistencia de la capa de combustión y manteniendo al hogar a una pequeña sobre presión.

Este ventilador reduce el tiro que debe suministrar la chimenea. Se evita también que en los conductos de humo se produzcan grandes depresiones con la consiguiente entrada perjudicial de aire a través de las fisuras. Debe evitarse el soplado muy enérgico, capaz de arrastrar finos y cenizas.

El tiro forzado también se puede emplear para soplar aire secundario por encima de la parrilla.

Tiro inducido o aspirado integral

El ventilador instalado en las proximidades de la chimenea asegura junto con esta, el tiro necesario en ese punto.

En este tipo de tiro, todo el gas pasa por el ventilador, debiendo elegirse los metales con los que se construye para que resistan las altas temperaturas (400 C en calderas con sobrecargas sin economizador ni precalentadores y 170C si estos están) por lo tanto se debe enfriar y proteger los apoyos del eje del ventilador.

Para una misma instalación es evidente, que el ventilador debe mover un mayor volumen de gas que el de tiro forzado, por ende consume más energía. Ventajas:

- En instalaciones nuevas, cualquiera sea el tipo, permite reducir la chimenea a un simple difusor de chapa.

- Permite reforzar la acción de una chimenea existente. Desventaja:

- Es la energía absorbida, sin embargo, es posible reducirla a lo estrictamente necesario previendo un grupo de velocidad variable o uno de caudal variable de buen rendimiento. Se puede prever también una derivación by pass para detener el ventilador cuando la chimenea puede asegurar el tiro necesario en el caso de carga reducida.

Tiro Equilibrado o Balanceado

Es una combinación del tiro forzado y del tiro aspirado integral. El ventilador de tiro forzado, sopla aire debajo de la parrilla reduciendo casi a cero el tiro del hogar, el

ventilador de tiro inducido asegura el tiro necesario desde el hogar hasta la base de la chimenea. Este sistema reúne las ventajas de ambos tipos de tiro pero además, permite reducir al mínimo posible el

tiro en distintos puntos del recorrido del gas limitando así la entrada de aire perjudicial al buen rendimiento. Este tiro se aplica en las grandes instalaciones con emparrillados mecánicos, en los cuales el aire se

insufla en distintos compartimientos para mejorar el rendimiento de la combustión.

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Ventiladores

Son máquinas rotativas habilitadas para el suministro de aire a presiones relativamente bajas. En estas instalaciones se utilizan los ventiladores centrífugos, excepcionalmente los axiales.

Se complementa la descripción de la característica de funcionamiento de estos ventiladores, generalizando que para todo el caudal de aire desplazado es proporcional al régimen de marcha. La energía de presión proporcionada, es proporcional al cuadrado de la velocidad de régimen. La potencia demandada, de acuerdo al cubo de la velocidad de régimen.

La sección de pasaje de los gases a través del generador de vapor, para una unidad determinada, es constante. Luego, la resistencia que los conductos oponen a la circulación de los gases, varía con el cuadrado de la velocidad de circulación. En la intersección de la curva de funcionamiento (presión-caudal) con la resistencia, nos da el punto de funcionamiento. Cualquier resistencia que se agregue, desplazará la nueva curva a la izquierda de la anterior. El ventilador proporcionará un menor caudal, con mayor presión de salida de su boca de descarga.

Variando el régimen de marcha del ventilador, se obtienen diferentes características: Presión estática-caudal, potencia-caudal.

Mediante los dos artificios mencionados, es posible regular el caudal de aire desplazado por el ventilador. Esta posibilidad es indispensable, ya que la variación en la demanda de vapor exige una igual variación de la intensidad de combustión. Para obtener en todo momento la mayor eficiencia económica, será menester modificar la cantidad de aire que se entrega en el hogar.

El accionamiento de los ventiladores, por lo general, es mediante motores eléctricos, directamente acoplados.

ECONOMIZADORES

Introducción

En una unidad generadora de vapor, el economizador representa una sección independiente de superficie de intercambio, constituida básicamente por bancos tubulares, que absorbe calor sensible de los gases de combustión para entregárselo al agua de alimentación antes que la misma ingrese a la caldera. De esta manera se consigue bajar la temperatura de los gases y por lo tanto aumenta el rendimiento del generador de vapor, lo que implica una economía de combustible, de ahí su nombre. Como el economizador es el último o anteúltimo (dependiente de la existencia del calentador de aire) equipo recuperativo interpuesto en la corriente de gases de salida; esta disposición hace que la transmisión de calor en el mismo se verifique fundamentalmente por convección. Es decir que, su función principal es recuperar la energía de los humos antes de ser evacuados a la atmósfera, reduciendo además la posibilidad de

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que se presenten choques térmicos y grandes fluctuaciones en la temperatura del agua de alimentación de la caldera, que llega a las paredes de tubos de agua que configuran el hogar o que entra en el domo.

Los economizadores se usan en lugar de incrementar la superficie generadora de vapor, ya que el agua

de alimentación, y, en consecuencia la superficie que recibe calor están a temperatura más bajas que las del vapor saturado, por tanto los gases pueden enfriarse hasta temperaturas aún más bajas para lograr mayor recuperación de calor y mejorar la economía.

En comparación con las paredes de agua del hogar, los economizadores requieren mayores superficies termointercambiadoras por unidad de calor recuperado, lo que es debido a la pequeña diferencia que existe entre la temperatura de los humos (fluido caliente) y la temperatura del fluido frío a calentar (agua).

Como aproximación tenemos que, por cada 22ºC de disminución de la temperatura de los humos en un economizador, el rendimiento de la caldera aumenta un 1%

El economizador puede ser justificado solamente cuando es capaz de absorber calor a un costo menor

que otros tipos de superficie de calefacción. Como la temperatura del agua de alimentación a la entrada del economizador es siempre menor que la de saturación en la caldera y dado que la superficie del economizador se encuentra a una temperatura más baja que la superficie de caldera, el calor remanente en los gases pueden absorberse de una mejor manera (desde el punto de vista de la transmisión de calor) y los mismos pueden alcanzar temperaturas más bajas con el economizador que con una superficie adicional de caldera equivalente.

De manera que, en una unidad generadora de vapor existe usualmente un nivel de temperatura de gases a partir del cual resulta económico suspender la absorción de calor a través de superficies que están a la temperatura de saturación y comenzar la absorción en un economizador.

Para evitar la evaporación en el economizador, el diseño básico debe permitir que las temperaturas del agua a la salida estén por debajo de la saturación del vapor durante la operación normal.

Clasificación de los economizadores

De acuerdo a la disposición geométrica:

• De tubos horizontales

• De tubos verticales

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o De tubos verticales: De similar construcción similares al haz convectivo de una caldera, o sea dos domos –uno inferior y otro superior– unidos por bancos de tubos que conforman la superficie de calefacción, tal como se aprecia en la figura

El agua es alimentada por el colector inferior y fluye a través de los tubos hasta el colector superior. Los

gases fluyen de dos maneras a lo largo de los tubos, preferentemente entrando por la parte superior y bajando en forma recta a contracorriente del flujo de agua, o atravesando los tubos en un paso o múltiples pasajes. o De tubos horizontales: Constan de colector inferior, por donde ingresa el agua, una tubería continua dispuesta en forma de serpentina horizontal que constituye la superficie de calefacción y un colector donde se acumula el agua para su salida tal como se aprecia en la figura.

Es siempre preferible que la corriente de gases atraviesen los tubos del economizador desde arriba

hacia abajo y que el agua de alimentación ingrese por la parte inferior y fluya hacia arriba a través de los tubos. Este diseño a contracorriente además de permitir obtener la máxima diferencia promedio de temperaturas para la transmisión de calor, reduce la superficie de calefacción y las perdidas de tiro a un mínimo. El flujo ascendente del agua ayuda a evitar los golpes de ariete que pueden ocurrir en algunas situaciones. De acuerdo a la dirección del gas con respecto a los tubos:

• De flujo longitudinal

• De flujo cruzado De acuerdo a la dirección relativa del flujo de gas y de agua:

• De flujos en paralelo

• De contracorriente

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De acuerdo al tipo de superficie absorbente del calor:

• De tubos desnudos o lisos

• De tubos con superficies extendidas o Tubos lisos: Para un economizador, el diseño más común y fiable es el que incorpora tubos desnudos (superficie exterior lisa), en alineación regular y al tresbolillo, con flujos cruzados. Los tubos desnudos y alineación regular (a) minimizan las posibilidades de erosión y obturación provocadas por la ceniza en polvo, en comparación con la disposición al tresbolillo (b) Cuando se quema carbón, la ceniza en polvo de los humos crea siempre un ambiente sucio y erosivo, por lo que el banco de tubos que constituye el economizador debe ofrecer la máxima facilidad para su limpieza con sopladores.

o Superficies extendidas: Para reducir los costes de inversión, se construyen economizadores con una gran variedad de tipos de aletas con el fin de mejorar el régimen de transferencia térmica desde el lado de humos hacia el lado del agua.

Las aletas son baratas, de precio inferior al de la superficie tubular propiamente dicha, que permiten reducir el tamaño y el coste del economizador. El éxito de su aplicación depende del ambiente que se tenga en el lado de humos. Una preocupación importante, es la facilidad que se tenga para realizar la limpieza de la superficie termointercambiadora, tanto la interior como la exterior del lado de humos. No siempre se pueden recomendar economizadores con aletas, ya que éstas pueden crear complicaciones operativas; en las calderas que cuentan con combustores ciclón, los economizadores con aletas no son recomendables, debido a las características de alta concentración y erosividad de la ceniza en polvo presente en los humos.

� Protuberancias: Cuando las aletas son sólidos de revolución o paralelepípedos se denominan protuberancias y su disposición (en retícula cuadrada o triangular) puede admitirse sobre superficies planas cuando la superficie de la protuberancia en la base sea pequeña frente a la superficie de esta última. Las protuberancias forman superficies similares a las que se configuran en algunos tipos de hogares para la posterior instalación y soporte de materiales refractarios; se comportan bastante bien en calderas que queman gases; los economizadores con protuberancias de clavos tienen mayores caídas de presión en el lado de humos, en comparación con los economizadores con aletas helicoidales. Los clavos suelen tener una longitud igual al radio del tubo en el que se insertan como protuberancias, y se sueldan perpendicularmente a la superficie tubular. En las calderas que queman carbón, las protuberancias de clavos se comportan mal a causa de las cenizas, debido a:

- La alta erosión por la naturaleza del polvo arrastrado - Las pérdidas en la termotransferencia, por la suciedad debida al polvo depositado - Obturaciones por las características fisicoquímicas de la ceniza

� Aletas longitudinales: Una disposición de tubos aleteados longitudinalmente dispuestos al tresbolillo y formando parte de un intercambiador de calor de flujos cruzados se presenta a continuación

Estos economizadores no se comportan bien a lo largo de períodos de operación de la unidad prolongados; en calderas que queman carbón, se sustituyen a consecuencia de las excesivas obturaciones y erosiones que se presentan tras un corto tiempo de operación.

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En calderas que queman aceites y gases, con frecuencia se presentan fallos debidos a la aparición de grietas en el extremo libre de las aletas, que son los puntos más calientes de las mismas, que se propagan hacia la pared del tubo, llegándose al fallo de la pared tubular que aloja la aleta.

� Aletas helicoidales: Los tubos con aletas helicoidales se aplicaron con éxito en algunas unidades que quemaban carbones, aceites y gases.

La aleta helicoidal consiste en una hélice de paso reducido, y se utiliza en unidades que queman gases, debido a la ausencia de ceniza volante, (propia de la combustión del carbón y de algunos aceites). Las características de estas aletas que se obtiene una superficie termointercambiadora 10 veces mayor que la del tubo desnudo. Cuando se queman aceites pesados o carbones, las hélices tienen un paso mucho mayor ya que hay que mantener las superficies termointercambiadoras tan limpias como sea posible. Para unidades que queman aceites, el paso suele ser de mayor; con pasos menores se pueden provocar obturaciones, y con pasos mucho mayores la superficie termointercambiadora se reduce. La disposición de los tubos en alineación regular facilita la limpieza y ofrece menos pérdidas de presión del lado de humos.

� Aletas anulares de perfil rectangular: Cada aleta se compone de dos mitades idénticas que se sueldan por la parte exterior del tubo, este tipo de aleta se monta en alineación regular en bancos de tubos dispuestos horizontalmente, siendo el flujo cruzado de humos vertical descendente.

� Deflectores: Los bancos de tubos que configuran un economizador tienen sus tramos rectos aleteados y

están unidos en sus extremos mediante codos de la misma tubería, en los que no se instalan aletas, conformando una sección de paso preferencial para los humos. Para evitar que los humos rodeen los tramos rectos aleteados, que ofrecen una sección de paso más restringida, se disponen tabiques deflectores que evitan la circulación de humos a través de los codos; también se utilizan en economizadores de tubos desnudos. La circulación de los humos a través de los codos (no aleteadas), provoca:

- Una reducción de la transferencia de calor en el banco que tiene la superficie ampliada - Una elevación de la temperatura del cerramiento que limita el volumen en el que está ubicada la

superficie termointercambiadora del economizador - Una mayor erosión en los codos, cuando se queman carbones altos en cenizas

Consideraciones generales

Límite de velocidades: El diseño de un economizador radica en lograr en el banco tubular la transferencia de calor necesaria, con el

mínimo coste posible y máxima velocidad permisible, correspondiente a la sección mínima de paso de humos. Cuando se queman combustibles limpios, como gases o aceites con poca ceniza, la velocidad se fija con la máxima caída de presión permisible desde el punto de vista económico.

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En los aceites pesados y aceites con mucha ceniza, al igual que en los carbones, la velocidad de los humos se limita debido a problemas de erosión derivados de la ceniza volante en polvo en ellos contenida y arrastrada. - Cuando se quema carbón con menos del 20% de materias volátiles, se recomienda una reducción de la velocidad límite del orden de 1,5 m/s - En los economizadores de calderas con combustores ciclón, en los humos se pueden utilizar velocidades mayores, ya que éstos contienen menos polvo porque más de un 50% de la ceniza se recoge como escoria fundida, en la parte inferior de la caldera; en lo que respecta a la erosión, las partículas arrastradas por los humos hacia el economizador resultan menos lesivas.

Para una determinada disposición de los tubos y una carga dada en la unidad, la velocidad de los humos depende únicamente de su volumen específico, que disminuye cuando baja su temperatura, lo que conduce a velocidades más bajas y menores transferencias de calor

Para mantener la velocidad de los humos a través de las distintas secciones del economizador, el banco inferior se diseña con tubos de mayor diámetro, lo que reduce la sección de paso de humos, mejora la transferencia de calor y requiere menor superficie e inversión. Sistemas soporte del economizador

Los economizadores se sitúan dentro de cerramientos que tienen, según sea la temperatura de los humos, paredes tubulares de chapas 454ºC - Cuando los cerramientos son de chapa, el economizador no se puede soportar en ellas - Cuando los cerramientos son de paredes de tubos, el economizador sí se puede soportar en ellas

En general, los economizadores están colgados y soportados desde puntos situados por encima del propio economizador; cuando la temperatura de los humos que salen del economizador es relativamente baja, se pueden soportar en puntos de cota inferior a la del economizador.

Los soportes se unen mecánicamente a los tubos individuales o a las secciones del economizador quedando expuestos al flujo de humos que entra en el economizador, cuya temperatura obliga a diseñarlos con acero inoxidable.

Para los tirantes que soportan las secciones más bajas del economizador, expuestos a temperaturas más moderadas en el flujo de humos, se emplean materiales de calidad inferior. Tamaño del banco tubular Se encuentra limitado por una serie de condiciones, como: - El tipo de combustible (sólido, líquido o gas) plantea, desde punto de vista de la limpieza, situaciones diversas - Penetración que pueden lograr los sopladores en el banco, desde el punto de vista de la limpieza Necesidades de acceso Alrededor de los bancos tubulares del economizador, se necesitan una serie de huecos para: - Realizar soldaduras durante la construcción en el lugar de emplazamiento - Facilitar los trabajos de mantenimiento en cada una de las diferentes ramas tubulares individuales - Disponer del espacio requerido por los sopladores durante el servicio de la unidad Para acceder a los distintos huecos hay que situar un número suficiente de puertas de acceso en las paredes del cerramiento. El acceso a un determinado hueco debe tener una altura mínima de 0,6 m y se puede acceder al mismo desde: - El exterior del recinto que limita el cerramiento, a través de una puerta individual - El interior, mediante aberturas especiales practicadas a través de los tirantes o de los bastidores de colectores. Características geométricas

Los diámetros de tubos para economizadores están comprendidos entre 44,5 y 65,5mm. Los diámetros que caen fuera de este intervalo se usan en casos de reequipamiento de unidades en proceso de modernización.

En calderas supercríticas de proceso directo se emplean tubos de menor diámetro, porque con circulación forzada la caída de presión tiene menos importancia; en estas unidades se minimiza el espesor correspondiente a la pared tubular.

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En las calderas que queman carbón, el espaciado transversal entre tubos se elige de acuerdo con la velocidad y resistencia máximas admitidas en el lado de humos, que son parámetros que dependen del tamaño de los tubos.

Si se usan superficies ampliadas, los espaciados laterales y verticales deben permitir una separación entre aletas de 13 mm.

Para tubos lisos conviene un espaciado con holgura mínima de 19 mm. El espaciado mínimo vertical de los tubos debe ser 1,25 veces el diámetro exterior de los mismos.

-Si éste espaciado es menor, la transferencia de calor se puede reducir hasta un 30%. -Si éste espaciado es mayor la transferencia de calor queda poco afectada, aumentando la profundidad del banco y la resistencia en el lado de humos.

CALENTADORES DE AIRE Los calentadores de aire se utilizan para calentar el aire comburente y mejorar el proceso de la

combustión en las plantas generadoras de vapor. Los humos constituyen la fuente energética, y el calentador recoge y utiliza el calor residual de los mismos, lo que incrementa la eficiencia global de la caldera un 5 a10%. Los calentadores de aire pueden utilizar otras fuentes térmicas, como el vapor procedente de la extracción de una turbina, dependiendo de la aplicación particular de que se trate.

Los calentadores reciben los humos calientes procedentes del economizador y el aire procedente del ventilador de tiro forzado.

El aire caliente que sale de los calentadores de aire mejora la combustión, con cualquier tipo de combustible; además, en las unidades que queman carbón pulverizado se emplea para el secado y transporte del combustible molido.

Clasificación

Según su principio operativo en el proceso de transferencia de calor, se clasifican en dos grandes grupos: a) Recuperativos, en los que la transferencia de calor se verifica de forma directa y continua, a través de la

pared que separa los fluidos, lo que garantiza la permanente separación de los flujos que intervienen en el proceso de intercambio térmico.

b) Regenerativos, en los que la transferencia de calor es indirecta, haciendo uso de un medio que se expone, alternativamente, al fluido calefactor (para tomar su energía térmica) y al fluido a calentar (para cedérsela).

a) Calentadores de aire recuperativos

El calor se transfiere a través de una superficie de intercambio térmico, que garantiza la separación de los flujos de humos y aire que llegan al calentador; esta superficie puede estar conformada por:

- Un determinado conjunto de tubos, cuya superficie global es la del calentador de aire para el intercambio calorífico

- Un conjunto de placas paralelas que canalizan, por separado, los dos fluidos que intervienen en el proceso

Algunos intercambiadores de calor recuperativos operan con una pequeña contaminación por fuga entre los fluidos presentes; como la presión del aire es mayor que la de los humos (paire > phumos), la fuga es del aire hacia éstos.

• Calentadores tubulares de acero.- La energía térmica se transfiere desde los humos calientes que circulan por el interior de los tubos, al aire que circula por su exterior.

La unidad consta de tubos rectos soldados a placas tubulares, en el interior de una carcasa de acero que sirve de cerramiento para el aire que circula por el exterior de los tubos, y que contiene las aberturas de entrada y salida del aire y de los humos.

En el calentador tubular vertical de la figura debajo, los tubos se soportan desde la placa tubular superior, y se apoyan en la placa tubular inferior. En cualquier caso, una de las placas tubulares debe ser flotante, para que se pueda mover libremente por la acción de las dilataciones de los tubos.

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Para garantizar la estanqueidad (ausencia de fugas de cualquier clase) y en particular las de un fluido al otro (aire hacia humo), es indispensable colocar entre la placa flotante y la carcasa del calentador, una junta de expansión estanca que es la carcasa de cerramiento.

Usualmente se utilizan placas deflectoras dispuestas paralelamente a las placas tubulares, con el fin de: - Separar los diversos recorridos parciales del aire exterior a los tubos - Evitar daños a los tubos, originados por vibraciones inducidas por el flujo de aire exterior

Los tubos son de acero al C, o de baja aleación resistente a la corrosión. El diámetro de los tubos varía entre 1,5”- 4”= (38 -100 mm), con espesores entre 0,049”- 0,120”= (1,24 -3,05 mm).

Cuando hay riesgos de corrosión y obstrucción de tubos, se utilizan diámetros y espesores superiores a los indicados.

La disposición tubular puede ser en línea o al tresbolillo, siendo esta última la más eficiente. La configuración de flujos normal es en contracorriente, con circulación vertical de humos por el interior de los tubos, y circulación horizontal de aire por uno o más pasos por el exterior de los tubos, existiendo una amplia variedad de disposiciones de pasos simples o múltiples, lo mismo del lado de humo que del lado del aire, para poderse adaptar a las diferentes configuraciones que requieren las plantas energéticas.

Para controlar la corrosión en el lado frío del calentador y el ensuciamiento por ceniza volante en polvo, los diseños incluyen un by-pass de aire frío o una recirculación de aire caliente.

• Calentadores tubulares de fundición.- Se utilizan en la industria petroquímica, y muy poco en

centrales termoeléctricas; su empleo está justificado por su alta resistencia a la corrosión. Los tubos son de sección rectangular, tienen una costura soldada longitudinalmente, y se fabrican a

partir de chapas de hierro fundido; se disponen con un solo paso del lado de humos, y con varios pasos en el lado del aire, circulando éste por el interior de los tubos del calentador.

La transferencia de calor se maximiza con aletas, en el lado de aire, y en el lado de humos.

• Calentadores de chapas.- Constan de baterías de chapas en paralelo y transfieren el calor, en flujos cruzados, desde los humos calientes que fluyen por un lado de la chapa, al aire frío que fluye por el otro

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lado. El sellado entre los flujos de aire y humos se obtiene por soldadura de los bordes de las chapas, o mediante una junta, muelle y compresión externa de las baterías de chapas.

La Fig XIX.16 representa un calentador de aire de chapas de acero, con un paso único del lado de humos y dos pasos del lado de aire. Para una determinada capacidad, los calentadores de aire modernos son de menor volumen que los tubulares y presentan mínimas fugas desde el aire hacia los humos.

• Calentadores con serpentines de vapor-agua.- Los calentadores de aire recuperativos con

serpentines de vapor, se utilizan en los generadores de vapor de plantas termoeléctricas para precalentar el aire comburente.

Los calentadores con serpentines de vapor-agua constan de un banco de tubos de pequeño diámetro, exteriormente aleteados, dispuestos horizontal o verticalmente dentro del conducto de aire que va desde el ventilador de tiro forzado que impulsa el aire comburente, hasta el calentador principal del aire.

El aire comburente circula, en flujo cruzado, por el exterior de los tubos, y se calienta mediante vapor de extracción del ciclo o con agua de alimentación, circulando siempre estos fluidos por el interior de los tubos.

El precalentamiento del aire reduce la corrosión y posibles obstrucciones en el lado frío del calentador del aire comburente. Estos precalentadores, en muchas centrales térmicas, suelen ser los únicos componentes que existen para el calentamiento del aire comburente de la unidad.

• Calentadores con tubos isotermos.- El tubo isotermo de tipo termosifón, utilizado en los calentadores de aire para la generación de vapor, consiste en un tubo, en el que se ha hecho un vacío parcial, rellenado con un fluido de trabajo apropiado para la realización de la transferencia térmica, Fig XIX.17.

El extremo vaporizador del tubo isotermo se expone a los humos calientes y el otro extremo, que hace de condensador, se coloca en el disipador térmico (aire comburente frío).

El calor absorbido procedente de los humos calientes evapora el fluido que se desplaza hacia la zona de aire comburente; cuando el fluido de trabajo libera su calor, condensa, y retorna por gravedad hacia el extremo vaporizador inferior.

La circulación del fluido dentro del tubo es continua siempre que exista una diferencia de temperaturas entre los extremos vaporizador y condensador del tubo; el fluido es prácticamente isotermo, y su temperatura se aproxima a la media entre la del aire y la de los humos.

Los tubos isotermos operan con el extremo vaporizador a menor cota que el extremo condensador, por lo que tienen una ligera inclinación respecto a la horizontal. La superficie interior de estos tubos es rugosa lo que favorece la circulación del fluido interno y la exterior es aleteada, para incrementar el área de intercambio térmico.

Los calentadores de aire con tubos isotermos se disponen en bancos paralelos. La mitad de la longitud de los tubos se expone al flujo de humos, y la otra mitad al del aire.

Mediante una placa divisora se separan los flujos de aire y de humos y se soporta el banco tubular. Los bancos de tubos isotermos se pueden combinar y encerrar dentro de carcasas, para lograr

calentadores de aire que se puedan acoplar a una extensa variedad de configuraciones. Para aplicaciones con humos sucios, como los de la combustión del carbón o del aceite pesado, la

disposición de los bancos con tubos isotermos es regular, mientras que para el gas natural y aceites ligeros la disposición es al tresbolillo (más eficiente).

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Los tubos son de acero al C, de diámetro 2” (51 mm) y longitud de hasta 40 ft (12,2 m). Incorporan: -3 aletas por 1" , ( 1 aleta por cada 8,5 mm), en el lado de humos -10 aletas por 1", (1 aleta por cada 2,5 mm), en el lado de aire Los materiales aleados, resistentes a la corrosión, incrementan la vida del lado frío del calentador. Los calentadores de aire con tubos isotermos tienen menor volumen que los tubulares de acero. Las fugas del aire hacia humos son mínimas en comparación con las que existen en otros tipos de calentadores de aire recuperativos.

Debido al comportamiento isotermo de cada tubo, para una temperatura mínima del metal, estas unidades de calentamiento de aire pueden operar a menor temperatura en el lado de salida de humos en comparación con otros calentadores tubulares o regenerativos, lo que facilita el que la caldera funcione con eficiencias mayores y permite reducir la corrosión en el lado frío del calentador de aire.

La compatibilidad del fluido térmico y del material de la pared tubular, es importante. Cualquier incompatibilidad conduciría a corrosiones internas, con aparición de gases no condensables que reducen: - La transferencia de calor - Atacan la integridad del tubo - Afectan a su presión de trabajo

Los calentadores de aire con tubos isotermos se utilizan en la industria petroquímica, habiéndose instalado un cierto número de ellos en plantas termoeléctricas.

b) Calentadores de aire regenerativos

El calor se transfiere indirectamente ya que disponen de un determinado medio de almacenamiento de calor que, periodica y alternativamente, por rotacion o con dispositivos de valvulas de inversion, se exponen a los flujos calientes y frios, utilizandose como medio de almacenamiento una gran variedad de materiales.

En unidades de generadores de vapor de plantas termielectricas se emplean paquetes de elementos ensamblados, muy tupidos, de chapas de acero corrugado que utilizan la rotacion, como procedimiento para sumergir el medio en los respectivos flujos.

El giro puede ser: - De las chapas de acero que se exponen sucesivamente a los flujos de aire y humos - De los conductos de aire y humos, que por medio de unos conductos giratorios dirigen los flujos de aire

y humos, atravesando los elementos estacionarios de la superficie acumuladora del termointercambiador.

Los calentadores de aire de tipo regenerativo son pequeños, y se han utilizado especialmente para calentar el aire comburente de las plantas termoeléctricas.

Una característica de operación es cantidad de aire comburente que fuga hacia el flujo de humos, debido a la rotación, que exige siempre una holgura entre las partes móviles y fijas.

• Calentadores Ljungstrom.- Tiene una carcasa cilíndrica y un rotor que lleva acoplados paquetes de elementos ensamblados de superficies de caldeo, que gira atravesando los flujos de aire y humos dispuestos en contracorriente; el rotor esta alojado en una carcasa que tiene conectados a ambos extremos de sus bases cilíndricas, los conductos de aires y de humos.

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El flujo de aire atraviesa la mitad del rotor y de humos la otra mitad. Para minimizar las fugas de aire hacia los humos y evitar el bipaso del rotor por los flujos de aire y humos, se dispone de cierres metálicos de láminas axiales, radiales y circunferenciales.

El eje de giro cuenta con dos cojinetes, uno de empuje superior y otro guía inferior, apoyados en las

vigas soporte superiores e inferiores. La velocidad del rotor es de 1 y 3 rpm, y se consigue por medio de un peñón accionado por un motor

eléctrico que engrana en una cremallera que rodea al motor. Para poderse acoplar a los diversos sistemas de flujos de aire y humos, se utilizan diseños de eje vertical

y de eje horizontal, siendo los verticales los mas comunes.

• Calentadores de aire Rothemuhle .- Utiliza unos elementos de superficies acumuladoras de calor estacionarias, y unos conductos giratorios divergentes. Los elementos de superficie se alojan y soportan en una carcasa cilíndrica fija (estator); en las bases de esta gira sincrónicamente una estructura doble de sectores simétricos, que tienen un eje vertical común.

Unas carcasas fijas rodean el espacio barrido por los conductos divergentes, superior e inferior. El calor se transfiere cuando ambos flujos en contra corriente atraviesan los elementos de la superficie acumuladora. El aire circula por el interior de los conductos divergentes, ya que requiere menor potencia en ventiladores, y los humos por el exterior de los mismos.

Para conseguir minimas fugas de aire hacia los humos se emplea un sitema de sellado; los elementos de estanqueidad son de hierro fundido y van montados en los conductores divergentes.

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TRATAMIENTO DE AGUA DE CALDERAS

Los problemas del agua de calderas pueden producir incrustaciones, corrosión, natas y espumas, arrastres, corrosión por tensiones y fragilidad en la caldera o en la maquinaria conectada que use vapor, como los turbogeneradores. Muchos alabes de turbinas de vapor que fallan pueden investigarse por las condiciones de vapor. Como resultado hay un aumento continuo de las concentraciones permisibles de impurezas en el vapor que va a una turbina, y esto produce un aumento de productos químicos aplicados al agua de calderas. Existen también cambios y mejoras tecnológicas nuevas así como mejores productos químicos para eliminar las concentraciones de impurezas en el agua de calderas. Esto significa que los operarios deben estar alerta con respecto a los diversos métodos y situaciones que ahora y en el futuro estén disponibles para resolver los problemas del agua de calderas.

Las especificaciones y tratamiento, así como las pruebas del agua, están siendo llevados a cabo por compañías especializadas en tratamiento que trabajan con los operadores de las plantas de calderas. Hay un papel complementario para ambos con el fin de resolver los problemas que afectan al agua de calderas, de forma que las calderas puedan operarse con seguridad, eficiencia y de forma continua cuando se precise.

Pruebas químicas

El mínimo de pruebas químicas normalmente prescritas para calderas de alta presión depende, de la relación del agua de aportación al condensado para elaborar el agua de alimentación de caldera, así como el tratamiento a usar especificado por los especialistas de tratamiento de aguas. A efectos informativos, se dan aquí algunos tests y su objeto:

• Prueba de acidez o alcalinidad : ésta se utiliza para controlar la corrosión y también la incrustación usando los valores obtenidos al calcular la cantidad de álcali a añadirse a un agua bruta acida, o la cantidad de cal y sosa que puede necesitarse en un desendurecedor de cal y sosa.

• Prueba de dureza, calcio y magnesio: una medida de calcio y magnesio es una medida de la dureza del agua bruta y blanda y del agua de alimentación. La dureza produce incrustación en una caldera y además los valores obtenidos de calcio y magnesio pueden utilizarse para determinar la cantidad de cal y sosa que necesita añadirse al agua de caldera, y así controlar la formación de incrustaciones.

• Prueba del hidróxido: la cantidad de hidróxido en el agua de caldera se determina para controlar la corrosión, fragilidad, arrastres o indirectamente el control de incrustación. El hidróxido debe mantenerse a un nivel suficientemente, bajo para que el arrastre no tenga lugar como formación de espumas y para evitar puntos de concentración de tensiones que ataquen al acero, así como para evitar la fragilidad del acero en zonas muertas de circulación. Las concentraciones de hidróxido se usan también para convertir la dureza que podría formar incrustación en lodos que pueden purgarse fuera de la caldera.

• Prueba del fosfato : la concentración de fosfatos se controla para producir incrustaciones solubles que pueden purgarse fuera de la caldera. La concentración de fosfato se mantiene también de modo que exista una relación entre fosfato y pH o alcalinidad en el agua de la caldera, de forma que no haya hidróxido libre presente y así evitar la fragilidad.

• Prueba del sulfito: La concentración de sulfito, si está ligeramente en exceso, se combinará con el

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oxígeno disuelto en el agua y así evitará la corrosión. El tratamiento de sulfito no se recomienda para calderas con presiones de calderín por encima de 1.600 psig (112 Kg/cm2), porque las reacciones químicas pueden ser peligrosas a presiones más elevadas.

• Prueba del hierro: este test, se utiliza para determinar si el retorno de condensado tiene exceso de óxido de hierro o herrumbre proveniente de las tuberías anexas y maquinaria de utilización del vapor. El término erosión por partículas sólidas ha venido utilizándose porque la mayoría del hierro está en forma de partículas y no disuelto en agua. Los filtros de membrana son utilizados para aproximar la concentración en el agua.

• Prueba del cobre: similar efecto a la del hierro, pero la fuente es normalmente los intercambiadores o equipos de bombeo con piezas de cobre. Las reparaciones que sustituyen el cobre pueden reducir la fuente de este contaminante.

• Prueba de conductividad eléctrica: este test determina la cantidad de sólidos presentes en el agua y se utiliza para el control de purga. Si se usa sobre los retornos de condensados, puede utilizarse para detectar fugas de agua bruta de los condensadores e intercambiadores de calor hacia el condensado, instituyéndose así acciones correctivas antes de que se produzcan daños mayores.

Hay cinco pasos posibles necesarios en el tratamiento de aguas dependiendo del suministro, presión, extensión del agua de aportación y condiciones similares:

(1) pretratamiento del suministro de agua bruta. (2) tratamiento del agua de aportación que va a la caldera. (3) tratamiento interno del agua en la caldera. (4) tratamiento del condensado que está siendo retornado a la caldera. (5) control de purga para eliminación de los iodos precipitados en la caldera.

El análisis de una muestra de agua es el proceso de hallar qué cantidades de impurezas y otras sustancias químicas están presentes en el agua. Los resultados se expresan normalmente en ppm (partes por millón) y se tabulan. Las partes por millón son una medida de proporción en peso, como una libra en un millón de libras. Los granos por galón es otro medio de expresión de la cantidad presente de una sustancia. Un grano por galón equivale a 17,1 ppm.

Sin importar las características químicas de las impurezas, son posibles cuatro casos distintos: 1. Si las impurezas es un sólido soluble, aparece en estado de disolución o en solución con el agua. 2. Si el sólido no es soluble en agua, no está en solución sino en estado de suspensión. 3. Aquellas impurezas de naturaleza gaseosa que son parcialmente solubles están en estado de

absorción en el agua. 4. Las soluciones coloidales tienen partículas en suspensión, entre ellas las que están en estado de

disolución y las que están en suspensión. Los coloides se definen como aquellas partículas menores de 0,2 micrómetros y mayores que 0,001 micrómetros (1 micra = 0,001 mm). Las partículas menores, de 0,001 mieras se consideran en solución (disueltas).

Elementos químicos y ecuaciones de reacción

Muchos problemas de la química del agua implican los siguientes elementos, normalmente encontrados en esa química:

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La valencia se utiliza en el cálculo de ppm de iones en términos de carbonato cálcico analizando una muestra de agua. Los químicos utilizan esto para calcular las cantidades de reactivos químicos en una ecuación dada por la utilización de pesos equivalentes. El cálculo de la concentración de un ion dado en términos de su equivalente en carbonato cálcico se hace comparando esos equivalentes, donde peso equivalente = peso atómico del elemento o compuesto dividido por la valencia de ese elemento o compuesto.

Ácidos, bases y valor de pH

Los químicos de tratamiento de agua se refieren al valor del pH de la muestra de agua que está siendo controlada. Este término se usa para denotar la presencia de ácidos o bases en agua o soluciones. Por ejemplo, ácido clorhídrico, HCI, también denominado ácido muriático, forma átomos cargados eléctricamente en el agua, iones H+ y CI-, lo que se denomina ionización. De la misma manera, una base o álcali, como el hidróxido de sodio, NaOH, llamado sosa cáustica, formará iones Na+ y OH-, con el ión hidróxido OH-, como agente de reacción alcalino.

Los químicos consideran la reacción de una base y un ácido como acción de neutralización, como los iones H+ + OH- forman agua neutra.

Ambos, el ácido y la base fuertes, han sido eliminados y se ha formado una sal y agua que son neutras. Cuando hay impurezas en el agua, este equilibrio de ácido y base puede verse afectado según sea la concentración de cada uno en la solución. Así, la solución puede ser acida o alcalina. Los químicos utilizan el término «pH» como referencia de acidez o alcalinidad. Realmente expresa la concentración de iones hidrógeno, H+, presentes en el agua y también la cantidad de iones oxhidrilo, OH-, porque para el agua, a cualquier temperatura la concentración de iones hidrógeno multiplicada por la concentración de iones oxhidrilo es constante. Esto significa que un cambio en la concentración de una requiere el consiguiente cambio en la concentración del otro. Los químicos han determinado que la concentración del agua pura (neutra) es 0.0000001 gramos por litro. Para evitar el uso de fracciones decimales largas, el método adoptado ha sido el valor de 7 corresponde al agua neutra, por debajo de 7 es acida y por encima, es alcalina.

Solubilidad

En la química del agua, la mayoría de las impurezas están en estado disuelto en el agua de calderas o en disolución, sin embargo, la temperatura tiene un efecto sobre la solubilidad de modo que, en algunos casos, un ligero cambio en la temperatura de la solución tiene el efecto inmediato de producir que una sustancia disuelta se vuelva insoluble y sedimente como materia en suspensión.

Algunos químicos de tratamiento de agua clasifican una sustancia que se hace más soluble con el incremento de temperatura como que tiene una relación de solubilidad positiva, mientras que aquellas sustancias que se vuelven menos solubles con un aumento de temperatura son clasificadas como que tienen una relación de solubilidad negativa.

El grado de solubilidad es también importante al determinar cuándo una cierta concentración de impurezas en estado disuelto puede precipitar como sólidos fuera de la solución, porque el agua está saturada de la impureza y no puede disolver más cantidad de la misma.

Estas impurezas que tienen características negativas de solubilidad son las principales productoras de depósitos de incrustación en las calderas. Esto es así porque a medida que la temperatura en una caldera aumenta con el aumento de presión, estas impurezas se hacen insolubles y precipitan para iniciar la incrustación sobre las superficies de transferencia de calor de la caldera. El otro problema con las impurezas es que, incluso si permanecen disueltas en un amplio rango de temperaturas y concentraciones, pueden producir otros efectos nocivos, como corrosión, espumado e imprimación de impurezas.

Incrustación

Los especialistas en el tratamiento de agua clasifican las impurezas por el efecto que producen sobre el lado de agua de las calderas. La incrustación se define como un depósito adherente sobre la superficie de transferencia térmica en el lado de agua de las calderas producida por las siguientes impurezas sedimentadas o cocidas sobre la superficie de calefacción:

• Las sustancias con efectos diversos sobre las superficies de transferencia térmica son los aceites,

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las grasas y la materia en suspensión.

• El tercer grupo de impurezas no puede causar incrustación por sí mismo, pero que puede ser obligado por otras formaciones de incrustación apareciendo así en la composición de la incrustación. La mayoría es más activa para producir corrosión que incrustación.

Efectos de la incrustación

Químicamente, antes de que alguna impureza pueda incrustarse, debe abandonar la solución y solidificarse de las siguientes maneras:

1. Por reducción de solubilidad con incremento de temperatura del agua, en aquellas impurezas clasificadas como de solubilidad negativa.

2. Por exceder el punto de saturación de modo que el agua no pueda disolver más impurezas en ese estado y precipite fuera de la solución.

3. Por cambios químicos por el calor para formar sustancias insolubles, como los bicarbonatos de calcio y magnesio.

Así, la incrustación puede implicar varios cambios químicos que pueden ocurrir en el agua de caldera. Hay dos objeciones a la incrustación sobre las superficies calefactoras de calderas:

1. La incrustación es un aislante muy eficiente del calor, variando el grado de aislamiento con su densidad. Su presencia en grosores apreciables significa menor absorción de calor por el agua de caldera, con la consiguiente pérdida de eficiencia o rendimiento de caldera.

2. Debido a que la incrustación es un mal conductor del calor, las superficies de calefacción de caldera aisladas del agua caliente por un lado y expuestas a los gases calientes por el otro, pueden alcanzar pronto temperaturas peligrosamente altas. De hecho, han tenido lugar serios daños: rotura de tubos e incluso de virola de caldera.

La formación de incrustación a menudo aumenta con la tasa de evaporación. Así, los depósitos de incrustación a menudo serán mayores donde la temperatura de los gases sea más elevada. Como ejemplo, a menudo un fallo en un tubo de una caldera de tubos de agua de alta presión puede encontrarse en la zona de alta absorción de calor donde se forman las burbujas de vapor. La envolvente de agua que rodea las burbujas contiene ahora las impurezas de la burbuja de vapor y las impurezas que ya tenía en disolución. El área bajo la burbuja de vapor del tubo está momentáneamente seca y esto hace que la temperatura del tubo suba. Por la solubilidad negativa de las sustancias, la solubilidad de estos compuestos es ahora baja, y esto produce que el compuesto forme incrustaciones en la superficie de los tubos, porque la solución ha alcanzado su punto de saturación a la temperatura del tubo. El depósito puede aumentar y actuar como un aislante, de lo que resulta una transmisión de calor pobre y mala. Esto lleva, al sobrecalentamiento del metal por debajo de la incrustación, y a producir la rotura del tubo, debido a la incrustación.

La incrustación media tiene una conductividad térmica casi igual que el ladrillo refractario, o aproximadamente1'/48 parte de la del acero. La incrustación es normalmente mas seria en la caldera de tubos de agua que en la de tubos de humos. Un recubrimiento de incrustación de 1,6 mm de espesor en tubos de agua expuestos al calor radiante puede producir la rotura del tubo, mientras que depósitos mayores de incrustación en los tubos de fuego pueden producir pérdidas de eficiencia, aunque no son peligrosos.

La razón de esta diferencia es que los tubos de fuego o humos absorben calor por convección y no por exposición radiante.

La incrustación en las calderas de tubos de humos también puede afectar a los tubos, pero generalmente éstos ceden por sobrecalentamiento. Sin embargo, los hogares de calderas escocesas marinas que absorben calor radiante se han combado seriamente por el sobrecalentamiento debido a incrustaciones, como el que tienen las virolas de fondo de las calderas de hogar interior.

La formación de incrustación puede también bloquear la acción adecuada de los controles e incluso válvulas de seguridad, por cegado de conexiones o por bloqueo de la válvula o de los controles. Una causa principal de los fallos de válvulas de seguridad es la acumulación de depósitos alrededor del asiento, lo que lleva a la válvula a bloquearse en su posición cerrada. Un programa regular de pruebas de válvula evita este tipo de fallo a medida que mejora la pureza del agua y del vapor.

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Los grandes depósitos de incrustación son generalmente un indicativo de negligencia de limpieza, que puede ser evitada en la mayoría de los casos por un tratamiento adecuado del agua. Las incrustaciones han formado un grosor apreciable, debería ser eliminada con dispositivos de limpieza de turbinado a cada tubo pirotubular, o limpieza de hidrocinética. Una vez que se ha conseguido limpiar la caldera, deben tomarse las medidas adecuadas para evitar su recurrencia.

Identificación de la incrustación.

Costras de diferentes consistencias pueden aparecer en una caldera y requieren análisis químicos posteriores para su identificación. Las incrustaciones aquí descritas muestran las características de los diferentes tipos que pueden hallarse en calderas:

1. Sulfato cálcico : origina una costra muy dura que se adhiere tenazmente a las superficies calefactoras. Esta incrustación se considera la peor a causa de su dureza extrema, la dificultad en su eliminación y su baja conductividad térmica.

2. Carbonato cálcico : es una incrustación blanda, de tipo cenagoso, normalmente blanquecina de apariencia y se quita fácilmente por lavado con agua.

3. Carbonato de magnesio : forma una costra blanda de tipo similar a la de carbonato cálcico. 4. Sílice : no forma incrustación en solitario, sino que imparte una estructura vítrea a los depósitos de

sulfato cálcico, lo que produce una costra muy dura, frágil y prácticamente insoluble en los ácidos. La sílice en las calderas de alta presión de una central térmica generadora se volatiliza y viaja con el vapor al turbogenerador para depositarse como incrustación dura, pareciendo porcelana sobre las piezas internas de la turbina.

5. Silicato de calcio y magnesio : ambos tienden a producir costras de estructura densa y cristalina, muy adherente a las superficies de transferencia térmica y con bajas características de transferencia de calor.

6. Hidróxido de calcio y magnesio : producen depósitos blandos que pueden adherirse o cementar con otras sustancias.

7. Carbonato de hierro : se encuentra con frecuencia en otras incrustaciones y es una sustancia indeseable porque añade una naturaleza corrosiva a la costra que aparece.

8. Fosfato de calcio y magnesio : son subproductos de los tratamientos de agua por fosfato y aparecen como un lodo blando que se elimina fácilmente por purga.

9. Sulfato de magnesio : no es demasiado común en la incrustación pero, donde aparece solo, la costra es comparativamente blanda. Sin embargo, en combinación con el carbonato cálcico o el sulfato cálcico, puede resultar una incrustación vítrea muy dura.

Prevención de la formación de incrustaciones.

Generalmente se emplean las estrategias siguientes en la prevención de la formación de costras: 1. Evitar el uso de agua dura en caldera. Esta dureza es debida principalmente a la presencia de sales

de calcio y magnesio. En análisis de agua, las condiciones de dureza del agua pueden reportarse como carbonatos, no carbonatos y dureza total. Las unidades de dureza se expresan como ppm equivalentes de carbonato cálcico. Los químicos de tratamiento de aguas se refieren a la dureza como si toda fuera debida al carbonato cálcico. Esto se hace usando los pesos atómicos equivalentes de los elementos implicados en la ecuación química.

2. La incrustación disminuye también manteniendo la concentración de impurezas dentro de límites aceptables, usando tratamientos y purga para controlar esta concentración.

3. La incrustación se minimiza también siguiendo los tratamientos químicos externos e internos que se prescriban.

4. La purga de fondo debe integrarse con el tratamiento químico que produce lodos que deben ser eliminados del agua de caldera.

Tratamientos del agua de alimentación de caldera

Prevención de incrustación: tratamiento externo. El pretratamiento del agua puede ser necesario a causa de la variación en el suministro y requerimientos del agua de aportación, tipo de proceso o aplicación del sistema de caldera, presión, capacidad y condiciones similares. Así, el tratamiento externo para la

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prevención de incrustaciones puede incluir reducción de sólidos en suspensión por filtrado, reducción de durezas por ablandamiento a la cal, ablandamiento por zeolita, equipo de intercambio de iones, desmineralizadores, evaporadores y desaireadores para eliminación de gases y oxígeno. La tecnología de membranas u osmosis inversa está siendo aplicada también en sistemas de tratamientos externos..

Prevención de incrustación: tratamiento interno. La selección de productos químicos para evitar incrustaciones con tratamiento interno está dirigida al control de las impurezas minerales que se deslizan pasando el programa de pretratamiento.

Esto se aplica especialmente a medida que la presión de caldera aumenta, como en la generación termoeléctrica. El pretratamiento, bien por precipitación química o bien por intercambio iónico, reducirá, pero no eliminará el problema que causa la tendencia de las impurezas en el agua de caldera.

El tratamiento combinado con fosfato fue desarrollado a partir del uso del tratamiento de fosfatos para eliminar las incrustaciones del sulfato cálcico y magnésico con un lodo que puede eliminarse por purga

adecuada, especialmente para calderas que trabajan por debajo de 600 psi (42 kg/cm2). Hay varias características indeseables del tratamiento convencional con fosfatos. La reacción añade

contenido de sólidos en suspensión en el agua, lo que no es deseable si la presión de caldera está cerca o por debajo de 1.000 psi (70 kg/cm2). Los niveles de alcalinidad de hidrato se consideran también demasiados altos para esta presión de caldera, a causa del peligro de corrosión cáustica. Los límites normales que los químicos de tratamiento de aguas prescriben como límites de alcalinidad son:

A medida que la presión aumenta, hay más riesgo de corrosión cáustica debido a que el metal está sometido a más tensiones por el aumento de presión y temperatura.

Control coordinado de fosfato/pH. Este sistema de tratamiento de agua fue desarrollado para las calderas de alta presión para evitar la corrosión cáustica. Requiere el mantenimiento de una relación fija entre el pH del agua de caldera y la concentración de fosfatos. El fosfato trisódico tiene una relación de sodio a fosfato de 3. Si la concentración de fosfatos o el pH cambian, esta relación de sodio a fosfato cambia también. El programa se basó en el principio de que un aumento de la concentración de hidróxido libre se evitaría por un desplazamiento del equilibrio iónico en la dirección que favorece la formación del Na3PO4. Ambos, pH y fosfato, requieren comprobaciones diarias para la concentración en orden a mantener el nivel de hidróxido bajo.

Control de fosfato /pH congruente y oculto. El oculto está causado por la precipitación de sales de fosfato de sodio, normalmente producido por una operación a largo plazo en calderas con calderín tipo central. El oculto produce una acumulación de fosfato en zonas «muertas» de circulación de agua y, consiguientemente, reduce la concentración de fosfatos en las otras zonas del bucle o circuito de agua. Esto aumenta el nivel de pH y alcalinidad del agua de caldera. Se encontraron evidencias de que el hidróxido sódico podría producirse como resultado del ocultamiento a partir de soluciones de ortofosfato trisódico por encima de una relación de sodio a fosfatos de 2,8. Entonces se aplicó el término control congruente, que es una referencia a la composición congruente en la que las fases sólida y líquida son iguales. Se establecieron líneas maestras para mantener una relación de sodio a fosfato por encima de 2,6 pero por debajo de 2,8, con concentraciones de PO4 entre 1 y 6 ppm.

En los controles coordinados de fosfato, el pH se regula por introducción de sodio con el fosfato según el criterio de los especialistas en tratamiento de agua. La relación deseada se mantiene controlando la proporción de las formas monosódica, disódica y trisódica del fosfato en el agua de la caldera. La sosa cáustica puede utilizarse para subir la alcalinidad y el pH, y la purga puede usarse para reducirlos. Las calderas típicas de central que usan el control congruente trabajan por encima de los 1.200 psi (84 kg/cm2).

Los quelantes son productos químicos que se combinan con las sales de dureza antes de que formen lodos de caldera, y esto es otro método para evitar la incrustación. Sin embargo, la alimentación de agua debe tener poca dureza, menos de 2 ppm, para que este tratamiento sea económico. Esto hace su utilización limitada al ablandamiento del agua de aportación desmineralizada. Los dos agentes quelantes normalmente utilizados son el ácido etilendiamintetracético (EDTA) y el ácido nitrilo acético (NTA). Ambos agentes forman sales estables con el calcio y el magnesio. Sin embargo, se requieren diez ppm de EDTA y 5 ppm de NTA para controlar 1 ppm de dureza. Esto hace que sea caro este tratamiento, y por eso se aplica básicamente para bajar dureza de agua de alimentación pretratada. Otro problema es que el EDTA comienza a disgregarse a 300 psi (21 kg/cm2) y a cerca de 1.500 psi (105 kg/cm2) pierde su capacidad

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quelante. El NTA pierde su capacidad quelante a 900 psi (63 kg/cm2). La degradación térmica no lo hace práctico para monitorizar residuos quelantes en el agua de caldera, lo que hace difícil el control de dosificación. Los mismos agentes quelantes pueden causar corrosión en la caldera si se sobrealimenta con quelantes durante un largo período de tiempo.

Por debajo de 400 psi (28 kg/cm2) se utiliza otro tipo de productos químicos quelantes denominados fosfonatos orgánicos, con las abreviaturas de AMP (fosfonatos amilometileno) y HEDP (hidroxietilideno), que tienen la propiedad de inhibir la incrustación de carbonato cálcico. Todos los agentes solubilizantes presentan capacidad similar a la del EDTA y NTA para mantener el calcio y el hierro en solución, pero no son tan fuertes y además no son tan peligrosos como los agentes quelantes en cuanto a poder corrosivo. Los fosfonatos podrán utilizarse más económicamente que los quelantes para niveles de agua de alimentación de 50 ppm y más.

Polímeros o acondicionamiento de lodos. En calderas industriales, el ciclo de control de incrustación implica la precipitación intencionada de las sales de dureza cálcica, como carbonato cálcico, con adición de un polímero para provocar lodos. Los polímeros amónicos son muy utilizados en calderas industriales donde las moléculas de polímero se acumulan alrededor de los lodos en suspensión de la caldera. Esto introduce en los lodos un grado de dispersión o fluidez que permite la eliminación de los mismos más fácilmente por purga inferior de caldera. Hay varios polímeros sintéticos vendidos por las compañías de tratamiento de aguas. Por ejemplo la Nalco Chemical Co. utiliza el nombre de Transport-plus para sus polímeros. Se aplica a calderas de hasta 1.560 psi (105 kg/cm2) y el término Transport se usa para indicar que puede transportar virtualmente el 100 por 100 de las impurezas del agua de alimentación, incluyendo dureza, sílice e impurezas de hierro a través del sistema de caldera, ya que el polímero fluidifica el lodo para un eventual control por purga. Los polímeros aniónicos inhiben el crecimiento de la estructura de la matriz cristalina de la incrustación. Este proceso también debilita la incrustación, ya que el polímero es absorbido en la estructura de la incrustación y, como resultado, se forman pequeñas partículas de incrustación.

El control de la tasa de alimentación y del polímero depende de los métodos de la prueba utilizada para comprobar las concentraciones. El sobretratamiento es todavía una amenaza; por tanto, algunos especialistas de tratamiento de aguas utilizan mezclas de polimetacrilato como componentes principales de un programa de tratamiento de polímeros mezclados.

Depósitos de aceite

El aceite en las calderas constituye una situación peligrosa. El aceite es un excelente aíslate del calor y su presencia sobre las superficies expuestas a altas temperaturas puede producir serios sobrecalentamientos y daños a la caldera.

Un origen común de esta situación oleosa fue el uso de equipos alternativos de vapor de escape conteniendo aceite del cilindro para retorno del condensado al sistema de alimentación de caldera. Una mínima cantidad de aceite de alta calidad proveniente de los cilindros debería utilizarse para lubricación de motores de vapor y bombas de retorno de condensado, y también debería utilizarse un tipo eficiente de separador de aceite en el sistema de escape. El aceite puede entrar también en la alimentación a través de su presencia en el suministro de agua bruta procedente de ríos o corrientes contaminados por molinos, aparatos marítimos, desechos o restos de materias comerciales.

Incrustación y eliminación de aceite. La eliminación de incrustación del lado de agua se efectúa por medio de tres métodos: eliminación mecánica, tratamiento de agua y limpieza química. La eliminación mecánica de la incrustación se efectúa mientras la caldera está parada y vacía. Las zonas accesibles de virolas, calderines, cabezales y abrazaderas se limpian mecánicamente con un cincel embozado o martillo desincrustante teniendo cuidado de no rebajar o disminuir el espesor de metal. La incrustación puede esprenderse de las superficies interiores de los tubos de agua con una Turbina Tubular.

Generalmente se usa agua limpia para limpiar los «lodos incrustantes» mientras la turbina tubular está trabajando. Hay que tener cuidado para no operar con la turbina tubular demasiado tiempo en una zona determinada o no forzarla indebidamente, pues puede resultar dañado el tubo. Hay que tener extremo cuidado para eliminar la incrustación en una caldera mediante tratamiento del agua. Si la incrustación se elimina demasiado rápidamente puede caer en grandes cantidades, con daño serio para la caldera, teniendo como resultado una restricción de la circulación y el consiguiente sobrecalentamiento. En una

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caldera de tubos de agua, los tubos rotos puedan ser la consecuencia final de este proceso; en una caldera pirotubular, serán las combaduras o incluso la rotura de la virola interior (hogar).

Los depósitos exteriores sobre las superficies externas de los tubos de humos pueden desprenderse por vibración con un resonador o vibrador tubular o por medio de sacudidas con una barra larga y pesada en cada tubo. Debería tenerse mucho cuidado después de un tratamiento de este tipo para ver si toda la incrustación se ha desprendido y extraído de la caldera antes de cerrarla para arrancar. Muchos casos de serios daños han resultado de acumulación de incrustación dejadas en las calderas.

La limpieza con ácido de las calderas se usa a menudo para eliminar óxidos metálicos. Los disolventes utilizados para la limpieza acida son variados. Algunos usan ácido clorhídrico, otros, ácido fosfórico. El proceso usual es llenar la caldera hasta que la solución rebosa por el venteo (el ácido se añade desde el exterior a la caldera). Se deja que la solución empape la chapa de caldera durante cuatro a seis horas, seguidas de un relleno con un agente neutralizados.

Si se usa ácido clorhídrico para la limpieza, se utilizará una solución débil de ácido fosfórico. Después del drenaje, se usa agua limpia para lavar; después, la caldera se llena inmediatamente con solución alcalina y se hierve de nuevo varias horas. Esta solución se drena; la caldera se lava de nuevo y, después, se rellena con agua de servicio normal, poniendo en marcha inmediatamente el tratamiento adecuado de agua de alimentación.

Debe observarse una precaución en la limpieza con ácido de calderas equipadas con sobrecalentador y otros tramos curvados parecidos, y estar seguros de que todo resto o traza de ácido ha sido cuidadosamente limpiado y extraído de los tubos curvados en U. Esto es crítico en la etapa de neutralización y lavado después de que los tubos se han empapado con una solución acida. Debe utilizarse aire comprimido.