• Categories
• Presión
• Fahrenheit
• Líquidos
• Evaporación
• Calor

Citation preview

GENERADORES DE VAPOR CARACTERÍSTICAS DE LAS CALDERAS DE ALTA PRESIÓN EN CHILE Introducción: Si bien es cierto que desde el punto de vista legal es operador de Calderas de acuerdo al Título IX del Reglamento de Calderas y Generadores de Vapor, Artículo 43, aquella persona que acredite haber aprobado un curso de especialización o rendir un examen ante el Servicio de Salud, para lo cual el respectivo Servicio de Salud otorgará un certificado de competencia que tendrá validez nacional El artículo 44 faculta a la Autoridad Sanitaria a retirar el certificado de competencia de un operador, en cualquier momento, si a juicio de dicha autoridad, el operador no demostrará, en la práctica, la idoneidad en el manejo del equipo, por lo tanto cada participante acreditará con certificado de empresa el tiempo de práctica como Ayudante de Calderas para demostrar su práctica bajo la supervisión de un Operador Cualificado, no obstante que pueda ser observado en su desempeño por la Autoridad competente, una vez otorgado el respectivo Certificado. El artículo 45 determina que en cada turno de trabajo el personal de Operadores verificará, a lo menos una vez, el funcionamiento de todos los dispositivos de alimentación de agua, asimismo, se accionará manualmente la válvula de seguridad para asegurarse que no está adherida y purgará todos los niveles y automáticos de alimentación de agua. Termina diciendo que al producirse el cambio de turno, el Operador no podrá abandonar el recinto de la sala de calderas antes de que el operador que lo releve se haya recibido de la planta. El artículo 46 establece que si por cualquier motivo el nivel de agua bajare más allá del límite inferior de visibilidad del tubo de nivel; deberá paralizarse de inmediato el funcionamiento de la caldera sometiéndola a una revisión completa y a las pruebas reglamentarias, dejando constancia de los resultados en el libro de vida de la caldera. Con este preámbulo exponemos a Uds. El programa que realizaremos en conjunto: 1.- Programa de nivelación de física básica: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Fuerza, Presión, Densidad Sistemas de Unidades Mecánica de los líquidos Fluidos en reposo y fluidos en movimiento Calor, dilatación de sólidos y líquidos Calorimetría, fusión, vaporización

2.- Introducción al uso del vapor en la industria 2.1. Factores que influyen en la ebullición

GENERADORES DE VAPOR 2.2. Condensación del vapor de agua 2.3. Clases de vapor que produce una caldera 2.4. Medición de la temperatura 2.5. Calor sensible, calor latente y calor total de vaporación 2.6. Transmisión de calor: Conducción, Convención, Radiación 2.7. Unidades de presión y equivalencias. 3.- Calderas, tipos y clasificación 3.1. Tipos de Calderas 3.2. Comportamiento de la caldera 3.3. Componentes de una caldera 3.4. Calderas Industriales 5.- Accesorios de las calderas 5.1. Accesorios de observación y sus posibles fallas 5.2. Accesorios de seguridad 5.3. Accesorios de alimentación de agua 5.4. Accesorios de limpieza 5.5. Accesorios de alimentación de combustible 5.6. Controles automáticos (no son accesorios de seguridad) 5.7. Accesorios para aumentar la eficiencia de la Unidad Generadora de Vapor 5.8. Accesorios para controlar el recalentamiento del vapor 6.- Característica de una caldera 6.1. Potencia de una caldera 6.2. Coeficiente de vaporización 6.3. Factores a tener en cuenta para la elección según trabajo 6.4. Combustibles y combustión 6.5. Objetivo de una caldera 7.- Agua de alimentación de caldera 7.1. Condiciones que debe cumplir 7.2. Efectos que produce en las calderas 7.3. Esquema Operativo y acciones complementarias 7.4. Influencia de la calidad del agua 8.- Prevención de Accidentes en calderas 8.1. Decreto Supremo N° 48 de 24 de Febrero del 1984 8.2. Mantención de calderas 8.3. Detención de calderas 8.4. Conservación de calderas en receso 8.5. Emergencias en calderas

GENERADORES DE VAPOR 8.6. Controles automáticos y su mantenimiento 8.7. Tablas de equivalencia y conversión 9.- Condiciones de Trabajo 9.1. Los riesgos profesionales y su prevención 9.2. Factores que determinan la enfermedad profesional 9.3. Medio ambiente físico del trabajo 9.4. Condiciones termohigrométricas 9.5. Radiaciones 9.6. Carga de trabajo 9.7. Organización del trabajo 9.8. Evaluación de las Condiciones de Trabajo y Salud 10.- Características de las calderas de alta presión utilizadas en la Central Termoeléctrica Tocopilla S.A. 10.1. Caldera U – 9 Babcock and Wilcox 10.2. Caldera U – 10 Babcock and Wilcox 10.3. Caldera U - 11 Babcock and Wilcox 10.4. Caldera U - 12 Mitsubishi (Licencia Combustión Engineering) 10.5. Caldera U – 13 Mitsubishi (Licencia Combustión Engineering) 10.6. Caldera U – 14 Mitsubishi (Licencia Combustión Engineering) 10.7. Caldera U – 15 Mitsubishi (Licencia Combustión Engineering)

GENERADORES DE VAPOR FUERZA PRESION Y DENSIDAD Concepto de la fuerza: Dar una definición rigurosa de la fuerza, es extremadamente difícil, ya que la idea de fuerza, junto a las de espacio y tiempo, constituye un concepto primario que la Física debe conformarse con caracterizar por sus efectos. a) Producir, modificar o impedir su movimiento b) Cambiar su forma, o sea, modificar sus dimensiones c) Provocar su ruptura Basados en lo anterior podemos decir que fuerza es: “el concepto de la causa de los movimientos y de sus variaciones, de las deformaciones y ruptura de los cuerpos” Medida de la fuerza El peso de un cuerpo es una fuerza, puesto que se identifica con la fuerza de atracción de la tierra, por lo que las unidades de peso pueden utilizarse para medir cualquier tipo de fuerza. En los sistemas absolutos se emplean la DINA y el newton, siendo la DINA la unidad absoluta C.G.S y el newton la unidad absoluta M.K.S. Un newton equivale a 100.000 dinas. 1 g = 980,6 dinas 1 Kg. = 980.600 dinas 1 Kg. = 9,8 newton Si colgamos un peso al extremo de un resorte, observamos que éste se estira, recobrando su longitud inicial al quitar el peso. El alargamiento del resorte será siempre proporcionar al incremento del peso. Este hecho constituye la base de los aparatos destinados a medir fuerzas que se denominan dinamómetros, que funcionan en base al principio: fuerzas iguales producen deformaciones iguales. Si queremos mover un cuerpo en una dirección determinada, habrá que aplicar la cantidad, medida o intensidad de la fuerza en un punto y una dirección tales, que el cuerpo se mueva en la dirección deseada. Este punto de la dirección son el punto de aplicación y la dirección de la fuerza, pero sobre una misma dirección, la fuerza puede aplicarse en dos sentidos, por lo que es necesario determinar también el sentido de la fuerza. Resumiendo:

GENERADORES DE VAPOR Para aplicar una fuerza es necesario considerar primero: su medida o intensidad; segundo: el punto de aplicación; tercero: su dirección, que puede ser: vertical, horizontal u oblicua; cuatro: el sentido: hacia la izquierda, la derecha, arriba o abajo. Las fuerzas y todas las magnitudes que implican las cuatro características ya vistas, se denominan magnitudes vectoriales. Una fuerza se representa por medio de una flecha. El origen es el punto de aplicación, la punta indica el sentido, la recta a que pertenece la flecha indica la dirección y su longitud, representa la medida o intensidad de acuerdo a una escala previamente establecida. Estas flechas en Física se denominan vectores. GRÁFICAMENTE POR UN VECTOR.

TODA FUERZA SE REPRESENTA

Concepto de presión: Todo cuerpo ejerce en la superficie sobre la cual descansa una fuerza vertical igual a su peso, de ahí que podemos definirla como: “La presión ejercida por una fuerza sobre una superficie es el cuociente entre la medida de su componente normal y la superficie del área de dicha superficie”. El cuociente obteniendo representa el peso que actúa sobre cada cm2 de la base y se le llama presión. Fenómenos: a) Físicos: No alteran la composición molecular de los cuerpos b) Químicos: Alteran la composición molecular y dan lugar a nuevas sustancias c) Nucleares: Modifican la estructura del núcleo del átomo (sust. Radioactiva) Energía: Concepto: Capacidad de la materia de producir trabajo (Principio de actividad) a) Relación con la materia: “La materia y la energía son intercambiables, de modo que la suma total de la materia y la energía en el universo es constante”. b) Ecuación de Einstein: E = m c 2 LA FÍSICA COMO CIENCIA NATURAL Objetivo: Estudio de los fenómenos físicos para establecer sus causas y las leyes que los rigen. Fundamentos: a) Principio de la causalidad b) Principio de las leyes c) Posibilidad de expresar las leyes en forma matemática

GENERADORES DE VAPOR d) Postulación de conceptos fundamentales e) Definición de unidades y sistemas de medida Método: Experimental o inductivo Pasos: a) Observación, b) Formulación de una hipótesis, c) Verificación de la hipótesis mediante experimentación, d) Enunciación de la ley, o Teoría si no puede probarse o negarse totalmente. Ramas de la Física: Mecánica, Calor, Magnetismo, Electricidad, Acústica, Óptica, Física Molecular, Física Nuclear y Físico-Química. Sistemas de unidades: a) Sistemas Absolutos: SISTEMA C.G.S. M.K.S. Inglés

MAGNITUDES BASICAS Longitud – masa- tiempo Longitud – masa- tiempo Longitud – masa- tiempo

UNIDADES BASICAS Cm – g – seg. M – kg – seg Pié – lb - seg

MAGNITUDES BASICAS Longitud – fuerza – tiempo Longitud – fuerza – tiempo

UNIDADES BASICAS M – kg – seg Pié – lb - seg

b) Sistemas gravitacionales: SISTEMA Técnico Inglés

En relación con la utilidad de cada sistema, se acostumbra a dar la denominación de sistemas prácticos al absoluto M.K.S. y a los sistemas gravitacionales.

Presión =

Fuerza normal que actúa sobre cierta superficie área de dicha superficie

Si designamos p por presión, F por la fuerza y S por el área de superficie, se tiene: F P= S Significado de la fórmula:

GENERADORES DE VAPOR c) La presión es directamente proporcional a la fuerza, si el área de la superficie permanece constante; d) La presión es inversamente proporcional al área de la superficie, si la fuerza permanece constante. En consecuencia: Una fuerza puede producir presiones diferentes, a condición de que varíe el área de la superficie sobre la cual actúa. De igual modo fuerzas diferente pueden originar presiones iguales a condición de que sean directamente proporcionales a las áreas de las superficies sobre las cuales actúan. Unidades de presión: De la fórmula de presión se deduce que: 1 unidad de presión = 1 unidad de fuerza 1 unidad de superficie dina por lo tanto en el sistema C.G.S.: 1 (_________) = 1 baria, luego 1 baria es la presión cm 2 ejercida por la fuerza normal de 1 dina sobre 1 cm de superficie. newton En el sistema absoluto M.K.S. : 1 (________) = 1 pascal m2 En el sistema técnico 1 __Kg._____ m2 En el sistema gravitacional inglés: 1 __ lb __ Pié 2 Sin embargo, las unidades de uso más corrientes son: 1 bar = 1 megabaria = 1.000.000 barias 1 milibar = 1.000 barias (El milibar ha sido adoptado internacionalmente para medida de presiones atmosféricas) Concepto de peso especifico: el peso específico de un cuerpo es el cuociente entre su peso y su volumen. Si al peso específico lo llamamos r (rho), P el peso del cuerpo y V a su volumen. p = P V

GENERADORES DE VAPOR De la fórmula se desprende que una unidad de peso específico es igual al cuociente entre una unidad de peso y una unidad de volumen. También suele ocuparse el concepto de peso específico relativo, para expresar la comparación del peso de un cuerpo con el peso de un volumen igual de agua destilada a 4° C. En este caso: Peso específico relativo = _____ peso del cuerpo ________ Peso de un volumen igual de agua Si llamamos ρr al peso específico relativo, P al peso del cuerpo P1 al peso de un volumen igual de agua, entonces: ρ1 =__ P__ P1 El peso específico relativo es un cuociente sin dimensión, o sea, un número abstracto. Ejemplo: Que el peso específico relativo del oro sea 19,3 significa que cualquier volumen de oro pesa 19,3 veces lo que pesa igual volumen de agua destilada. Concepto de densidad: Si determinamos por medio de una balanza, las masas m1, m2, m3, mm1 de distintos volúmenes v1, v2, v3, vn1 de una misma sustancia, y determinamos cuocientes entre las masas y sus volúmenes, encontraremos valores iguales. Este valor constante se denomina densidad o masa especifica de la sustancia por lo cual: d (densidad) = m (masa del cuerpo) V (volumen del cuerpo) Para determinar la densidad de un cuerpo es necesario medir su masa y su volumen, para aplicar la fórmula. Según las características que presentan los cuerpos, se pueden distinguir los siguientes casos: a)

Cuerpo sólido de forma geométrica

GENERADORES DE VAPOR Masa se mide por medio de una balanza Volumen se determina aplicando las fórmulas geométricas correspondientes, como por ejemplo: Volumen del cubo = a3 (a = arista) Volumen del cilindro: π r2 h Volumen esfera: ¾ π r3 Volumen del cono: 1/3 π r2 h b)

Cuerpo sólido no soluble, de forma irregular.

Masa se mide por medio de balanza. Volumen: se determina introduciendo el cuerpo en el líquido de un depósito graduado. El aumento de volumen marcado en la probeta por ejemplo, representa el volumen del cuerpo. c)

Cuerpos líquidos

Masa se mide por medio de la balanza Volumen: se determina mediante una probeta graduada o matraz aforado. Existen otros procedimientos que por el momento no trataremos. CUESTIONARIO DE PRACTICA 1.- Defina o explique los siguientes conceptos: a)

Magnitud escalar:

b)

Magnitud vectorial:

c)

Fuerza:

d)

Presión:

e)

Peso específico

f)

Peso específico relativo:

g)

Densidad:

GENERADORES DE VAPOR 2.- ¿Qué características permiten representar una fuerza? 3.- ¿Qué fuerza actúa permanentemente sobre los cuerpos? 4.- ¿Qué ocurría si no existiese la fuerza de la gravedad? 5.- ¿ Cómo podría probar que el peso de los cuerpos varía con la latitud? 6.- ¿ Por qué se utilizan raquetas o esquíes para andar sobre la nieve? 7.- ¿ Es lo mismo densidad que peso específico?

Resuelva los siguientes problemas: 1.- Sobre la cabeza de un alfiler actúa una fuerza de 100 g. ¿ Qué presión ejerce su punta si tiene 0,01 mm2 de superficie? R: 1.000 Kg./cm2 2.- El pistón de un gato hidráulico de vehículos tiene 7 dm2 de superficie. ¿ Qué presión se requiere para levantar un coche que pesa 1.200 kg.? R: 1,7 Kg./cm2

GENERADORES DE VAPOR MECANICA DE LOS LIQUIDOS Ya sabemos que los sólidos tienen forma propia, en cambio los líquidos no la tienen y adoptan la del recipiente que los contienen, pero su diferencia fundamental está en que los sólidos transmiten las fuerzas solamente en la dirección en que éstas se aplican, en cambio los líquidos en equilibrio transmiten las presiones sobre ellos ejercidas en todas las direcciones y con igual intensidad. Como el líquido transmite la presión en todas las direcciones con igual intensidad, al aumentar la superficie debe aumentar también la fuerza, en igual proporción. Si se invierte el orden en el experimento de la figura anterior, observaremos que la fuerza se reduce en vez de aumentar. Luego los líquidos poseen la propiedad de aumentar o reducir las fuerzas, proporcionalmente a las superficies contra las cuales actúan, de acuerdo al principio de Pascal. Prensas, frenos, gatos hidráulicos, etc., son aplicaciones de este principio. Responda las siguientes preguntas: 1.- ¿ Por qué se emplean los líquidos para transmitir presiones?

2.- ¿ Por qué los líquidos transmiten presiones en todas direcciones?

3.- ¿ Por qué el principio de Pascal no se aplica a los sólidos?

4.- ¿ Por qué se prohíbe la pesca con explosivos?

Presión Hidrostática: Es la presión que ejerce un líquido permanentemente sobre el fondo. ¿De qué depende la presión ejercida por el líquido sobre el fondo del recipiente? Normalmente la presión (p) sería el cuociente entre el peso (p) del líquido contenido y la superficie (S) del área basal que lo contiene: p = ___P__ S

pero P = V x p

GENERADORES DE VAPOR por lo que si el recipiente es un cilindro o un prisma recto, el volumen V del líquido contenido hasta una altura h, será: V=Sxh

(superficie básica por altura)

Luego: p = S x h x p, o sea, p = h x p S Esta fórmula nos indica claramente los factores de los cuales depende la presión que un líquido ejerce sobre el fondo del recipiente que lo contiene, y al mismo tiempo expresa otras consecuencias: a)

La presión sobre el fondo es directamente proporcional a la altura de la columna líquida que soporta.

b)

La presión sobre el fondo es directamente proporcional al peso específico del líquido que contiene el recipiente.

c)

La presión sobre el fondo es independiente del peso total del líquido. Esto significa que si los niveles, en diferentes vasos con un mismo líquido, están a igual altura, las presiones sobre el fondo son iguales, cualquiera sea el peso total del líquido en cada vaso.

d)

La presión sobre el fondo es independiente de la forma del recipiente que contiene el líquido.

Impusimos para el cálculo, la condición de que el recipiente fuera un cilindro o una prima recto. Ahora esa condición se hace innecesario, pues hemos visto que influyen en el valor de la presión hidrostática sobre el fondo, sólo la altura del líquido y su peso especifico. Esto explica de manera sencilla un hecho aparentemente contradictorio, que se denomina paradoja hidrostática. Consideremos tres recipientes de forma distinta, con igual área basal y llenos hasta igual nivel con el mismo líquido: Según lo expuesto, en los tres vasos la presión sobre el fondo tiene igual valor: p = h x p, y como además la presión se mide por: p = F/S, resulta que F = p x S, es decir, la fuerza ejercida sobre el fondo de los tres vasos también es igual. Pero, por la diferencia de forma, los vasos tienen capacidades distintas y de ello resulta la paradoja: la fuerza sobre el fondo puede ser igual, mauro o menor que el peso total del líquido contenido en el recipiente. La fuerza con que el líquido actúa contra las paredes del recipiente se mide por los productos de la presión media (Punto representativo, que en la práctica, para cálculos que

GENERADORES DE VAPOR no exigen de mayor rigor, se considera como el centro de gravedad de la superficie de contacto con el líquido), por el área de las paredes de contacto con el líquido, o sea, F= p x S. Sin embargo, como la presión hidrostática aumenta en proporción directa a ala profundidad, la fuerza lateral del líquido va aumentando con ella. Por esta razón, las paredes de estanques y represas deben construirse de modo que su espesor aumente con la profundidad. Ley fundamental de la Hidrostática: La diferencia de presión entre dos puntos de un mismo líquido en equilibrio, es igual al producto de su peso específico por la diferencia de nivel entre esos puntos. Hemos establecido que en un liquido en reposo, dos puntos situados a igual nivel tienen igual presión que dos puntos situados a diferente nivel, tienen presiones diferentes. Consideremos los puntos A y B en el seno de un líquido a distinta profundidad.

En vasos comunicantes los líquidos estarán a igual altura. Esta ley tiene numerosas aplicaciones como: Indicador de nivel de agua de las calderas, red de distribución de agua potable, pozos artesianos, exclusas como las del canal de Panamá, etc. En los vasos comunicantes con líquido diferente, que no se mezclan (no miscibles), las alturas son inversamente proporcionales en los pesos específicos respectivos. Esto significa que a mayor peso específico, menor altura y viceversa. Conteste las siguientes preguntas: 1.- ¿ De qué factores depende la presión hidrostática?

2.- ¿Cómo varía la presión en relación con ellos?

GENERADORES DE VAPOR 3.- ¿ Por qué los estanques y represas requieren distinto grosos de las paredes a mayor profundidad? 4.- Explique como pasa un barco a través del canal de Panamá

Fluidos en reposo DENSIDAD: (absoluta) p de un cuerpo = masa por unidad de volumen = masa del cuerpo = m volumen del cuerpo V La densidad de los sólido y líquidos se mide en las unidades coherentes g/cm3 , kg/m3 y utm/m3 . La densidad de los gases , se suele expresar en g/litro o en g/cm3. Densidad p del agua a 4°C = 1 g/cm3 = 1.000 kg/m3 = 102,4 utm/m3 PESO ESPECIFICO γ = ρg de un cuerpo = peso por unidad de volumen = Peso del cuerpo (mg) = m g = ρg = y Volumen del cuerpo (V) V Peso específico γ= pg del agua a 4°C = 980 dinas/cm3 = 9.800 N/m3 = 1.000 kp/m3 Nota: La densidad p del agua a 4° C = 980 dinas/cm3 980 m /s2 DENSIDAD RELATIVA (δ) de una sustancia es la relación o cuociente entre la densidad de la misma y la correspondiente a otra sustancia que se toma como patrón. En los sólidos y líquidos la densidad relativa se suele referir al agua, mientras que los gases, normalmente, se refieren al aire. ( de un cuerpo = densidad del cuerpo densidad del agua =

masa del cuerpo = peso del cuerpo (mg) masa de un volumen igual de agua volumen del cuerpo (V)

Densidad relativa del agua = 1 en cualquier sistema de unidades. La densidad relativa de una sustancia viene expresada por el mismo número en cualquier sistema de unidades. Es un número puro sin dimensiones.

GENERADORES DE VAPOR La densidad absoluta y relativa de una sustancia tiene el mismo valor numérico cuando la densidad se expresa en g/cm3, ya que, es estas condiciones, la densidad del agua vale 1 g/cm3. En el sistema mks (Giorgi), la densidad del aluminio = 2,70 x densidad del agua = 2,70 x1.000 kg/m3 = 2.700 kg/m3 En el sistema terrestre o gravitatorio. 1)

densidad p del aluminio =2,70 x densidad del agua =2,70 x 102,4 utm/m3 = 276,48 utm/m3

2)

peso específico γ = ρg del aluminio = 2,70 x peso específico del agua = 2,70 x 1.000 kg/m3 = 2.700 kg/m3

PRESION p = fuerza por unidad de superficie =

fuerza F normal a una superficie . área A de la superficie sobre la que la fuerza se halla distribuida p= F A

Las unidades de presión son: dinas/cm2, N/m2 y kp/m2. En la práctica, se emplea mucho la unidad no coherente kp/cm2. La presión p debida a una columna de fluido de altura k y densidad p es: P = pgh = γh (dinas/cm2) = (g/cm3) x g (980 cm/s2) x h (cm) (N/m2) = (kg/m3) x g (9,8 ms2) x h (m) (Kp /m2) = (utm/m3) x g (9,8 m/s2)x h(m)

Fluidos en movimiento CAUDAL Q. Cuando un fluido fluye por una tubería de sección recta A con una velocidad v, se define el caudal Q como el volumen de líquido transportado por unidad de tiempo, es decir,

GENERADORES DE VAPOR Q = Av En donde Q se expresa en las unidades coherentes cm3/a y m3/s Nota: Se llama flujo de un fluido a través de una sección, la masa que la atraviesa en la unidad de tiempo; también se llama caudal másico. Se define el gasto por el producto del caudal por el tiempo. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD: En el caso de un fluido incomprensible que fluye por una tubería de sección recta variable, se verifica: Q = A1 v1 = A2 v2 = constante En donde v1 y v2 son las velocidades medias del fluido en las secciones rectas A1 y A2 respectivamente. TEOREMA DE BENOULLI. En el fluido perfecto (sin rozamientos internos), incompresible y en régimen estacionario, la suma de las energías, de presión, cinética (o de velocidad) y potencial (o de altura) en cualquier punto de la vena líquida es constante. (1)

p1 m + 1 mv21 + mgh1 = p2 m + 1 . mv 22 + mgh2 ( 2 ( 2

En donde: m es la masa de fluido considerado p es la densidad del fluido p1 v1 y h1 son la presión, velocidad y altura de un punto de la corriente p2 v2 y h2 son la presión, velocidad y altura de otro punto En el sistema terrestre o gravitorio, m se expresa en utm, p1 en kp/m2, p en utm/m3, pg = y en kp/m3, g = 9,8 m/s2, y h en m. Dividiendo cada término de la ecuación (1) por m/p, resulta (2)

p1 + 1 pv21 + h1 pg = p2 + 1 . pv 22 + h2pg 2 2

Dividiendo cada término de la ecuación (1) por mg, se obtiene (3)

p1 + v21 + h1 = p2 + v 22 + h2 p2 2g pg 2g

Conviene observar que cada uno de los términos de la ecuación (1) tiene las dimensiones de una energía, los de la ecuación (2) las de una expresión y los de (3) de una longitud (altura). VELOCIDAD DE SALIDA de un líquido por un orificio = √2gh (Teorema de Torricelli), siendo h la altura del líquido por encima del orificio, supuesta constante.

GENERADORES DE VAPOR TRABAJO realizado por un pistón al desplazar a comprimir un líquido en un cilindro en contra de una presión = presión media x volumen. B. CALOR Dilatación de sólidos y líquidos CONVERSIÓN DE GRADOS CENTÍGRADOS Y FAHRENHEIT. El intervalo comprendido entre los puntos de fusión y ebullición del agua se divide en 100 partes iguales en la escala centígrada de temperatura y en 180 en la escala Fahrenheit. Cada parte representa un grado (°C o °F). Por tanto. 1 grado centígrado (°C) = 180 = 9 de grado Fahrenheit (°F) 100 5 1 grado Fahrenheit (°F) = 100 = 5 de grado centígrado (°C) 180 9 Además, a la temperatura del punto de fusión del agua pura (a la presión atmosférica), la escala centígrada le asigna el valor 0, y la Fahrenheit, sin embargo, el valor 32, es decir 0° C = 32° F. En consecuencia Temperatura centígrada = 5/9 x (temperatura Fahrenheit –32) Temperatura Fahrenheit = 9/5 x (temperatura centígrada +32) DILATACIÓN LINEAL DE SOLIDOS. Al calentar un cuerpo experimentado un incremento de sus dimensiones; el aumento de longitud (∆I) es, muy aproximadamente, proporcional a su longitud inicial y al incremento de temperatura (∆I) comunicado. Sean I1 y I2 las longitudes inicial y final, a la constante de proporcionalidad, en aquellas condiciones. Variación de longitud ∆1 = 12 – 11 = ( 11 ∆1 Longitud final 12 = 11 + ( 11 ∆1 = 11 (1 + ( ∆1) La constante a se denomina coeficiente de dilatación lineal que depende de la naturaleza de la sustancia del cuerpo. De la relación anterior, se deduce: ( = ∆1 . 11 ∆1

GENERADORES DE VAPOR Por lo tanto, a representa, físicamente, la variación de longitud por unidad de longitud y grado de temperatura. Por ejemplo, si 1,000000 cm de longitud de una barra de latón se convierte en 1,000019 cm al elevarse su temperatura 1°C, el coeficiente de dilatación del latón. –5

–1

= 0,000019 cm = 1,9 x 10 (°C) 1,000000 cm x 1°C

DILATACIÓN CUBICA. Si un volumen V1 se dilata y se convierte en V2 elevar su temperatura en ∆I, se puede escribir Variación de longitud ∆V = V2 – V1 = (V1 ∆1 Longitud final V2 = V1 + (V1 ∆1 = V1 (1 + (∆1) En el caso de los sólidos, aproximadamente, B = 3 x coeficiente de dilatación lineal 0 3ª

PROBLEMAS RESUELTOS 1. Los puntos de fusión y ebullición, a la presión atmosférica, del alcohol etílico son – 117°C y 78,5°C respectivamente. Convertir estas temperaturas a la escala Fahrenheit. Solución Fahrenheit = 9/5 x centigrade + 32 Punto de ebullición, °F = 9/5 x 78,5 + 32 = 141 + 32 = 173°F Punto de fusión, °F = 9/5 x (-117) + 32 = - 211 + 32 = -179 F Calorimetría, fusión, vaporización EL CALOR es una forma de energía. La unidad más utilizada en la medida de la cantidad de calor, en el sistema métrico, es la caloría y su múltiplo la kilocaloría, que se definen, respectivamente, como sigue: 1 caloría (cal) = cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 grama de agua en 1 grado centígrado. Nota: A pesar de que la caloría fue definida, en principio, como se ha establecido, posteriormente se ha comprobado que la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C depende ligeramente de la temperatura, pero esta variación es del orden del medio por ciento en el intervalo de 0° a 100°C. Por consiguiente, todos los trabajos que no requieran una precisión superior al uno por ciento, la definición dada es más que suficiente. Para trabajos o estudios más precisos se define la caloría en función de la unidad de energía

GENERADORES DE VAPOR del sistema mks; experimentalmente se ha medido el equivalente mecánico del calor y vale: 1 cal = 4,184 J. Con gran aproximación, una caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agra desde 16,5° a 17,5°C. 1 kilocaloría (kcal) = 1.000 cal. CALOR ESPECIFICO. Es una sustancia (es numéricamente igual al número de ) = calorías necesarias para elevar la temperatura de 1 g de dichas sustancias en 1°C. El calor específico se mide en calorías por gramo y grado centígrado (cal/g °C) De la definición de la caloría se deduce que el calor específico del agua es igual a la unidad (1cal/g°C ó 1 kcal/kg °C) , siempre que se desprecian las variaciones con la temperatura. CAPACIDAD CALORÍFICA o equivalente en agua de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del cuerpo en un grado. Se mide en calorías por grado centígrado (cl/°C) Capacidad calorífica de un cuerpo = masa del cuerpo x calor específico EL CALOR GANADO O PERDIDO por un cuerpo que no experimente ningún cambio de estado, = masa x calor específico x variación de temperatura Q = m x c x ∆1 en donde Q = cantidad de calor (cal o kcal), m = masa (g o kg), c = calor específico (cal/g °C o kcal/kg °C) y = variación temperatura (°C) CALOR DE VAPORIZACIÓN de un líquido es la cantidad de calor necesario para pasar al estado de vapor la unidad de masa del líquido en cuestión sin que varíe su temperatura. Calor de vaporización del agua = 540 cal/g o kcal/kg (a 100° y °atm) CALOR DE SUBLIMACIÓN de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para transformar directamente la unidad de masa de la sustancia en cuestión desde el estado sólido al gaseoso a una temperatura fija. HUMEDAD ABSOLUTA es la masa de vapor de agua contenida en la unidad de volumen de la atmósfera. Normalmente se expresa en g/m3 aunque sus unidades coherentes en los sistemas cgs, mks y terrestre son, respectivamente, g/cm3, kg/m3 y utm/m3. HUMEDAD RELATIVA =masa del vapor de agua contenida en la unidad de volumen de aire Masa del vapor en la unidad de volumen de aire saturado a la misma temp

GENERADORES DE VAPOR = tensión del vapor de agua en el aire . tensión del vapor de garúa en aire saturado a la misma temperatura (ya que la tensión ejercida por el vapor de agua es, aproximadamente, proporcional a la masa del vapor de agua contenida en la unidad de volumen) Punto de rocío es la temperatura a la cual debe enfriarse el aire, manteniendo la presión constante, para que se sature de vapor de agua.

PROBLEMAS RESUELTOS 1.a) Hallar la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 100 g de cobre desde 10°C a 100° C. b) Suponiendo que a 100 g de aluminio a 10°C se le suministrase la cantidad de calor del apartado a), deducir que cuerpo, cobre o aluminio, estará más caliente. El calor específico del cobre es 0,093 y del aluminio 0,217 expresados en cal/g°c.

1.- Nociones generales sobre el vapor en uso industrial: La energía del combustible (carbón, gas licuado, energía atómica, etc.) es traspasada al agua, que al calentarse se vaporiza, con lo cual se puede utilizar su fuerza y su energía calórica. El agua se evapora lentamente en el aire a diferencia de otros que son más volátiles como el alcohol, éter y gasolina. También hay líquidos que no se evaporan o lo hacen con mucha dificultad como los aceites. Debe quedarnos claro que a mayor temperatura la evaporación aumenta. A nosotros nos interesa el proceso de evaporación por ebullición. Factores que influyen en el punto de ebullición: a)

b)

La presión exterior: A menor presión desciende el punto de ebullición. Esto queda claro al hacer hervir agua en la alta montaña para cocinar porotos, por ejemplo. El agua hierve o ebulle a menor temperatura, por eso a igual tiempo de cocción a nivel del mar, los porotos quedan duros. La profundidad del líquido: La presión hidrostática se suma a la atmosférica retardando la ebullición, o lo que es lo mismo, elevando su punto de ebullición.

GENERADORES DE VAPOR c) d)

Los gases disueltos en el líquido: El aire o cualquier otro gas disuelto en el agua acelera el proceso de ebullición, por lo cual a mayor cantidad de gas, más bajo es el punto de ebullición Las sales en disolución: Retardan el proceso y elevan el punto de ebullición.

De lo dicho comprendemos que el punto de ebullición de un líquido puro y de poca profundidad, sólo depende de su naturaleza y de la presión que soporta su superficie. Explique cómo opera la olla a presión:

Conteste: ¿ Que ventaja de tipo económico presenta la olla a presión?

Condensación del Vapor de agua: Al quitarle calor al agua que se encuentra en ebullición, el vapor se enfría, se condensa y vuelve al estado líquido. El calor desprendido por el vapor al condensarse se aplica en calefacción, porque el agua tiene uno de los más altos calores específicos y a la vez uno de los calores de condensación más elevados. La evaporación tiene múltiples aplicaciones en los procesos industriales, tales como la concentración de soluciones y producir bajas temperaturas. La ebullición es el proceso por el cual el líquido pasa de su estado natural al vapor por adicción de calor. Este fenómeno efectúa a determinada temperatura, característica para cada líquido, que en el caso del agua es de 100°C a nivel del mar, y en un depósito abierto a la atmósfera. Cuando el agua entra en ebullición, su temperatura se mantiene constante, no sube por más que se aumente la fuente de calor, sólo se consigue una ebullición más violenta o turbulenta de la masa de agua. Si el calentamiento se efectúa en un depósito cerrado, donde el vapor producido por la ebullición no puede escapar, la temperatura y la presión subirán con la formación de vapor adicional Mientras que el agua y el vapor alcancen aproximadamente la temperatura de la fuente de calor (calderas, marmitas, ollas a presión)

2. Clases de vapor que produce una caldera: El vapor, al igual que el agua, esta compuesto de (H) hidrógeno y (O) Oxígeno. Al entrar en contacto con el aire toma un color blanco debido a la formación de gotas de agua en condensación

GENERADORES DE VAPOR Toda caldera produce vapor saturado, es decir, se encuentra en contracto con el líquido a evaporar sin sobrepasar la temperatura de evaporación. Las calderas pueden producir vapor saturado seco o húmedo, según lleve o no partículas de agua sin vaporizar. La producción de uno y otro tipo de vapor depende el tipo de caldera, del volumen de su cámara de vapor, de la mayor o menor distancia que existe entre el nivel de agua y la salida de vapor, de la velocidad de circulación presión de trabajo, etc. El vapor saturado que se usa en instalaciones de calefacción o procesos industriales, por lo general no requiere de alto grado de purificación. Vapores de 97° de calidad y 3° de humedad son adecuados para cualquier uso, y se obtienen con separadores primarios o por gravedad. Vapor recalentado: Ninguna caldera produce directamente este tipo de vapor. El recalentamiento es un proceso posterior para el vapor saturado de la caldera, al cual se le hace pasar por un serpentín de poco diámetro sometido a calor. Este proceso logra secar el vapor y se le aumenta su temperatura sin aumentar su presión. El vapor recalentado se usa en procesos industriales y es básico para mover las turbinas en plantas termoeléctricas, ya que es la energía calórica la que se traduce en movimiento mecánico, lo que significa que a mayor temperatura del vapor más efectividad. 3. Medición de la temperatura: Se define la temperatura como el nivel de actividad molecular que tiene un cuerpo. En este concepto no interviene ni la masa, ni su tamaño, sino sólo su actividad molecular. Se dice que un cuerpo está caliente cuando su temperatura es alta. Una esfera de 10 hierro de 10 cm de diámetro y otra de 1 cm pueden tener la misma temperatura, pero la de mayor diámetro tendrá mayor cantidad de calor. Explique la diferencia entre calor y temperatura Recuerde, calor es energía y temperatura es la medición cuantificada de la energía calórica. Para medir la temperatura se usan escalas termométricas. ¿Conoce algunas? Escríbalas La más conocida es la escala centígrado (°C) o Celsius, basada en el sistema métrico, y también la del sistema inglés llamada escala Fahrenheit.

GENERADORES DE VAPOR

De acuerdo a la tabla interior es posible establecer una equivalencia entre ambas escales:

°C

(°F – 32) =

100

180

Entonces °C = 5 . (°F – 32) 9

=

°F x 32 1.8

°F = 9 . (°C – 32) 5

=

1.8 °C + 32

Temperatura absoluta es la que se mide a partir del cero absoluto, pero nunca se ha alcanzado este punto, la temperatura más baja a que se ha llegado está cercana a los – 250°C.

GENERADORES DE VAPOR La temperatura se expresa en grados y se mide en valores bajos con termómetros y en valores altos con pirómetros. Los termómetros más usados son los de mercurio, que tiene como desventaja que se solidifican a –39.5°, pero sólo hierven a 375°C, los termómetros de alcohol son buenos para bajas temperaturas ya que se solidifica sólo a –130 °C, pero hierve a 78°C. Los pirómetros generalmente del tipo culpas térmicas, consisten en fajas metálicas diferentes unidas y en contacto cerrado, que se conectan por conductores eléctricos a un galvanómetro. La diferencia de potencial eléctrico generado en metales diferentes por el calentamiento, es la que se traduce en una indicación en las graduaciones de un dial que expresa la temperatura en °C o °F. El instrumento normalmente se usa a distancia, para lo cual se coloca la termocupla en el punto de medición, unida por cables al instrumento que puede estar lejos del foco o en un panel central. Responda: 1. Haga la equivalencia de 100°F a °C 2. ¿Cuántos grados Fahrenheit son 60°C? 3. ¿Cuántos grados Rankine son 100°F? 4. Haga la conversión de 60° en °Kelvin 4,. Calor y equivalencia: El calor esta definido como una forma de energía que se manifiesta aumentando la temperatura de los cuerpos, dilatándolos y pudiendo llegar a fundir los sólidos y evaporar los líquidos. La cantidad de calor depende de la masa de los cuerpos, a mayor masa más calor puede acumular. Ejemplo: Dos cuerpos de la misma composición (las esferas de hierro que nombramos al comienzo del curso), tienen la misma temperatura, pero acumula más calor la de mayor diámetro (mayor masa) Para medir el calor se recurre normalmente a una unidad de medida del sistema métrico la caloría (Cal), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 litro o kilo de agua en 1°C. El sistema inglés usa el BTU (British Termal Unit), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°F la temperatura de libra de agua.

GENERADORES DE VAPOR EQUIVALENCIAS: 1 Kg. 1 libra 1 Kg.

= 1.000 g. = 453.6 g = 2,2046 libras

1°C = 1,8 °F 1°Cal = 2.2046 x 1.8 = 3.968 BTU 1 BTU = 0.252 Cal

5. Calor sensible, calor latente y calor total de vaporización Calor sensible, es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 kilo de agua desde 0 a 100°C. Calor latente, es la cantidad de calor necesaria para transformar 1 Kg. de agua a 100°C. Esta cantidad de calor corresponde a 540 calorías. Calor total de vaporización, es la cantidad de calor necesaria para transformar 1 Kg. de agua de 0°C en vapor a 100°C, o sea, es la suma del calor más el calor latente. El calor total de vaporización y la temperatura del vapor aumentan muy poco con el aumento de la presión. 2 4 646 653 120 143 Ejercicios: 1. Calcular la cantidad de calor necesaria para calentar 1m3 de agua desde 15°C hasta 80°C Respuesta 1 m3 80°C – 15°C

= 1.000 litros de agua = 65°C elevación de temperatura para calentar 1 litro de agua en 1°C se necesita 1 caloría

Para calentar 1 litro de agua en 65°C se necesitan 65 calorías Para calentar 1.000 litros de agua en 65°C se necesitan 65.000 calorías.

GENERADORES DE VAPOR 2. Calcular la cantidad de calor necesario para evaporar 100 litros de agua, encontrándose el agua a 0°C Desarrollo Calor sensible para calentar el agua de 0°C a 100°C Para calentar 1 litro de agua en 1°C se necesita 1 caloría Para calentar 1 litro de agua en 100°C se necesitan 100 calorías Para calentar 100 litros de agua en 100°C se necesitan 10,000 calorías Calor sensible: 10,000 calorías Calor latente para transformar los 100 kilos de agua a 100°C en vapor de agua a 100°C Para evaporar 1 litro de agua a 100°C en vapor a 100°C se necesitan 540 calorías Para evaporar 100 litros de agua a 100°C en vapor a 100°C se necesitan 54.000 calorías. Calor latente: 540 calorías Calor toral necesario para evaporar los 100 litros de agua desde 0°C Respuesta: 10.000 Calorías + 54.000 calorías = 64.000 Calorías TRANSMISIÓN DE CALOR El calor se transmite de un cuerpo de mayor temperatura a otra de menor temperatura mediante tres formas: Conducción, convección y Radiación. Conducción: Es la forma en que se transmite en los cuerpos sólidos, y se propaga a través del movimiento vibratorio de las moléculas de los cuerpos. Si colocamos el extremo de un metal de una fragua caliente, el calor lo sentiremos en el otro extremo por que se ha transmitido por conducción a lo largo de la barra. La rapidez de la propagación varía según la naturaleza del cuerpo, los buenos conductores son aquellos en que la conducción es rápida, y malos aquellos en que es lenta. Los mejores conductores de calor son los metales, las sustancias orgánicas y el agua son malos conductores calor. Convección: Es la transmisión del calor por el movimiento de la sustancia misma, y es la forma en que se propaga el calor en los líquidos y gases. Por ejemplo, cuando calentamos el fondo y lados de una vasija que contiene, disminuye la densidad de las capas de líquido más cercana al foco de calor produciéndose un movimiento ascensional de agua más caliente y bajan las capas superiores más frías y por lo tanto más densas. De esta manera se produce una circulación continua que tiende a igualar la temperatura de toda la masa, poniendo en contacto las partes más frías con las más calientes. El calentamiento del aire y de los gases también se transmiten por convección, ya que al calentarse se hacen más ligeros o livianos al disminuir su densidad y adquieren un

GENERADORES DE VAPOR movimiento ascensional deslazando el aire más frió que baja por su mayor peso y al calentarse vuelve a sube generando movimientos llamados corrientes convectivas, que tienden a subir y bajar continuamente hasta que la temperatura se normaliza en el ambiente. A través de la convección se produce el tiraje natural en las calderas y la calefacción por radiadores. Radicación: Es la transmisión de un calor de un cuerpo caliente a uno más frío a través del espacio, sin necesidad de un medio material que lo conduzca o transporte. Un ejemplo típico de transmisión por radiación es del sol que a través de la enorme distancia que lo separa de la tierra la calienta sin que haya contacto de ningún tipo entre ambos. Una persona a cierta distancia del fuego experimentará una sensación de calor que no se debe a la temperatura del aire, que cesa inmediatamente si se interpone una pantalla, lo cual no sucedería, si el ambiente tuviese una temperatura elevada. Lo mismo sucede cuando se interponen las nubes al paso del sol, disminuyendo inmediatamente la temperatura. El calor radiante se propaga en línea recta y en todas direcciones alrededor del foco de color y se transmite en el vacío lo mismo que en el aire. 6. Unidades de Presión y equivalencias: Presión es el efecto que una fuerza produce sobre algo, ese algo siempre tiene una superficie, la presión se mide con un instrumento denominado manómetro, que según el tipo o marca puede entregar la presión medida en distintas unidades. En el sistema métrico la fuerza se mide en kilos y la superficie en cm2, obteniéndose la unidad de presión Kg/cm2. Esto significa: la fuerza que ejerce 1 kg sobre un cm2 de superficie. En el sistema inglés la fuerza se mide en libras (Lbs) y la superficie en pulgadas2, obteniéndose la unidad de presión Lbs/pulg2 La presión suele medirse también en función de la presión atmosférica normal, que es la presión equivalente a la ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de altura, a la temperatura de 0°C, a nivel del mar y a 45 de latitud. Los manómetros miden presiones relativas efectivas o manométricas, si a la presión manométrica le sumamos la presión atmosférica, se obtiene la presión absoluta. Cuando el nivel de referencia está constituido por la presión atmosférica, el vacío se mide por la disminución de presión por debajo de la atmósfera. Ejemplo: Un vacío de 500 mm de mercurio, a presión barométrica de 760 mm, significa que la presión absoluta mide 260 mm (760 – 500 = 260)

GENERADORES DE VAPOR El instrumento que mide la presión atmosférica se llama barómetro. Para medir presiones bajas se utilizan tubos “U” llenos de agua, mercurio o petróleo. Por seguridad y/o aseguramiento de la calidad, todos los instrumentos de medición, en nuestro caso los destinados a medir presiones, deben comprobarse periódicamente. Dentro de lo que son las Normas ISO, esto se denomina metrología y significa que todos los instrumentos deben estar periódicamente certificados por el organismo competente. Se trata de que las mediciones sean seguras. El desajuste se produce normalmente por vibraciones, sobre presiones o trabajo a temperaturas demasiado elevadas, que generan una deformación en los muelles. La forma más común de comprobar rápidamente la calidad de medición de los manómetros es comparar sus indicaciones con las de otro denominado “patrón”, que a su vez también debe ser comprobado periódicamente. REPRESENTACIÓN GRAFICA DE PRESION ABSOLUTA, RELATIVA Y VACIO

EQUIVALENCIAS: Para el caso de las calderas se utiliza la atmósfera técnica o métrica, cuyas equivalencias son: 1 atm = 1 Kg/cm2 = 14,3 Lbs/pulg2 = 10 columna de agua = 0.98 bar. Lo normal en este caso es que operador observe el extremo de la chimenea sin abandonar su puesto de trabajo. Si no pudiese observar el extremo libre de la chimenea, debe observar el hogar para comprobar que la combustión sea brillante y clara, en contrario estarán saliendo humos negro.

GENERADORES DE VAPOR Recordar que una buena combustión elimina sólo gases calientes incoloros, sin que se aprecien humos visibles. Cuando se trabajo con exceso de aire, no se ven humos por la chimenea, pero, la combustión puede descontrolarse al bajar la temperatura del fogón. Esto significa que hay que dosificar el aire necesario para la combustión. El procedimiento de control se basa en la observación (cuando no existen instrumentos): Cuando se trabaja con todo el templador abierto, la llama y los gases son arrastrados de forma violenta, incluso con ruido, la llama se perfila hacia los ductos de gases arrastrada por el tiro, no se sabe en ese momento si el aire que pasa es el correcto o hay exceso, por lo cual: a)

b)

Se empieza a cerrar el templador o control de tiraje lentamente, hay que observar el comportamiento de la llama y los gases cada vez que se modifica la posición de cierre. Llegará el momento en que la llama se endereza, los gases pierden velocidad. Si la combustión se oscurece y aparece humo, Falta de aire y hay que proceder a abrir lentamente el templador hasta aclarar el fuego, y eliminar el humo, así, a ojo, esta sería la posición correcta del templador para asegurar el aire necesario sin gran exceso.

Por esto mismo, para dar un servicio a una hora determinada, el operador debe encender con la debida anticipación para evitar tener que apurar el fuego, con lo que logrará una mala combustión. Recuerde que: estando el combustible en condiciones apropiadas, aire suficiente y alta temperatura en el hogar, la combustión debe ser buena en una instalación bien hecha. No olvide que en toda combustión que se observen humos negros, hay mala combustión y se deberá a una o más de las siguientes causas: Falta de aire, exceso de combustible, falta de temperatura en el hogar.

EL OBJETIVO BASICO EN CALDERAS EN LOGRAR EL MEJOR APROVECHAMIENTO DEL COMBUSTIBLE Un caso totalmente distinto son los incineradores, ya que el objetivo es eliminar desechos, sin aprovechamiento del calor. Como los combustibles son normalmente de baja calidad, se utiliza combustible adicional para lograr la incineración total mediante una buena combustión. Lo que hay que controlar entonces es el combustible que se agrega para no malgastarlo.

GENERADORES DE VAPOR AGUA DE ALIMENTACIÓN DE CALDERAS Se utiliza aguas de cualquier procedencia que pueden utilizarse con ventaja y seguridad. Normalmente proceden de ríos, lagos, pozos, mar y aguas lluvias. Por su procedencia es imposible evitar las impurezas que arrastre y o contenga disueltas, que la hacen inapta para consumo humano o industrial. Condiciones que debe cumplir: a)

Clara con turbidez inferior a 10 ppm, si es superior debe ser sometida a filtración

b)

Exenta a dureza no carbónica

c)

Dureza total no superior a 35 ppm

d)

Exenta de aceite

e)

Bajo contenido de sílice

f)

pH adecuado ( no inferior a 7)

Clasificación de las impurezas: 1.

Sólidos en suspensión: Barro o arcillas, materias orgánicas, arenas o sílices.

2.

Sales disueltas como cloruros, sulfatos alcalinos, sales de calcio, magnesio, etc.

3.

Gases disueltos: Oxígeno y nitrógeno, anhídrido carbónico

EFECTOS QUE PRODUCEN EN LAS CALDERAS: Sólidos en suspensión: Producen embaucamientos en coacción con las sales disueltas. Deben ser eliminadas en su mayor parte antes del ingreso a la caldera, mediante filtrado o si fuese necesario empezar por coagulación, decantación y filtrado. Si se utiliza agua potable, esta ya ha sido tratada. Sales disueltas: Lo que da dureza al agua son las sales de calcio y magnesio, que se caracteriza por producir depósito adherente en forma de costra llamados incrustaciones. Esto se controla adicionando controladamente al agua de alimentación ciertas sustancias gelatinosas o alcalinas denominadas desincrustantes, que no les permiten depositarse como costra dura, sino como simple barro de fácil eliminación mediante purgas. La adición debe complementarse con métodos de sustracción. Métodos de sustracción: a)

Agregar cal y soda: Se agrega al agua de alimentación en forma dosificada óxido de calcio (Cal) y carbonato de sodio (soda), los que reaccionan con la dureza del agua

GENERADORES DE VAPOR

b)

provocando su precipitación antes de que ingresen a la caldera. El método es muy efectivo, siendo su principal problema el costo de los reactivos y el empleo de grandes volúmenes para decantación y las unidades filtrantes. Intercambio iónico: Esto método consiste en emplear ciertas sustancias del tipo de resinas sintéticas de ciclo reversible o zeolitas, puestas en aparatos denominadas ablandadores. Su función es el intercambio de sales de calcio y magnesio que producen incrustaciones por otras como el sodio o hidrógeno que no producen incrustaciones.

La forma de operar es la siguiente: Las impurezas de calcio y magnesio en estado soluble en agua Calcio Carbonato se presenta así: Sodio Zeolita

Y la zeolita o similar así:

La zeolita que es sólida permanece al interior del aparato ablandador. Al ponerse en contacto el agua dura con una o más partículas de zeolita, se produce un intercambio que lleva al siguiente resultado: Calcio Carbonato

+

Sodio Zeolita

Calcio Zeolita

+

Sodio Carbonato

CALDERAS, TIPOS Y CLASIFICACION: Las necesidades de la industria y las múltiples aplicaciones, que derivan en exigencias de la orden técnico y práctico han obligado a un perfeccionamiento continuo para solventar los problemas que originaban las existentes hasta hace pocos años. La caldera debe dar garantías en cuento a solidez, seguridad, operabilidad, durabilidad y economía en su funcionamiento. La clasificación de calderas de acuerdo al uso en Chile, es la siguiente: A)

De acuerdo a su posición de funcionamiento: a) Horizontales b) Verticales

B)

De acuerdo a su instalación:

GENERADORES DE VAPOR a) Fija o estacionaria b) Móviles o portátiles C)

Según la ubicación del hogar: a) Hogar interior (del tipo escocés) b) Hogar exterior (típica cilíndrica)

D)

Según la circulación de los gases: a) Recorrido simple en un sentido b) Con retorno simple (caldera marina) c) Con retorno doble ( escocesas con excepciones)

E)

Según su forma de calefacción: a) b) c) d) e) f) g)

F)

Cilíndrica sencilla de hogar exterior Con tubo hogar (liso o corrugado) Con dos tubos hogares (lisos o corrugados) Con tubos Galloway (calderas horizontales o verticales) Con tubos múltiples de humo, horizontales, verticales o inclinados, Igneotubulares Con tubos múltiples de agua Acuotubulares Combinadas con tubos múltiples de agua y humo. Combinadas o mixtas.

De acuerdo a la presión de vapor que producen: a) De bajo presión (Hasta 2,0 Kg/cm2) b) De presión mediana (sobre 2,0 y hasta 10 Kg/cm2) c) De alta presión (más de 10 Kg/cm2)

G)

De acuerdo a la presión de vapor que producen: a) De gran volumen de agua (más de 150.1 de agua por m2 de superficie de calefacción) b) De mediano volumen de agua (entre 10 y 150.1 de agua por m2 de superficie de calefacción) c) De pequeño volumen de agua (menos de 70.1 de agua por m2 de superficie de calefacción).

Las primeras calderas que se utilizaron y aún quedan algunas, eran de hogar exterior, solamente podían trabajar a presiones bajas, básicamente por su forma y calidad de los materiales. La primera evolución fue a causa de tener que disminuir el costo de operación y funcionamiento y a la caldera cilíndrica sencilla se le modificó instalándoles tubos hogares, con lo cual había nacido la caldera de hogar interior, se le varió la forma y así se obtuvo mayor rendimiento obteniéndose mayores presiones de trabajo.

GENERADORES DE VAPOR Posteriormente se estudió aumentar la superficie de calefacción, sin aumentar el tamaño de la caldera, para lo cual se dividió la superficie en pequeñas partes en las cuales se insertaron tubos de pequeño diámetro para que por su interior circularan los gases provenientes del sistema de combustión. Así se generaron las calderas de tubos múltiples de humo (Igneotubulares) Siempre por requerimientos de la industria, nacieron las calderas de alta presión, llamadas acuotubulares, en las cuales por el interior de los tubos circula agua y/o vapor, así, los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa. Este tipo de calderas trabajan con presiones relativas de 164 Kg/cm2 a 315 Kg/cm2 o más. 1. CALDERA CILÍNDRICA SENCILLA: Se emplean generalmente cuando se requiere gran cantidad de vapor al iniciar el consumo. Solo calderas de gran volumen de agua o mediana presión y hogar exterior. Físicamente son un cilindro de aproximadamente 2 m de diámetro, con hogar exterior bajo el cuerpo principal. Los gases calientan la parte inferior del cilindro, circulando además por ductos de ladrillos refractario que constituyen la mampostería de la unidad. a)

Ventajas: Fácil construcción, gran reserva de energía por su gran volumen de agua, facilidad de limpieza manual o mecánica al estar sus partes accesibles, bajo costo de mantención.

b)

Desventajas: bajo rendimiento, dilataciones disparejas a su gran tamaño, lo que puede originar trizaduras en el planchaje, dificultad de puesta en marcha por el precalentamiento que puede llegar a 24 horas, alta peligrosidad en caso de accidente, GRAN PERDIDA DEBIDO A LA IRRADIACIÓN DEL CALOR.

2. CALDERAS CON TUBOS HOGARES: Es la caldera cilíndrica modificada, el tubo hogar va dentro del cuerpo principal y lo atraviesa de lado a lado longitudinalmente. En el interior del tubo se ha colocado un fogón de parrillas planas, con lo cual se redujo las pérdidas, aumentar la superficie de calefacción sin aumentar el tamaño de la caldera. Con la instalación de un tubo hogar corrugado se obtiene una mayor superficie de calefacción y también una mayor resistencia mecánica. a)

Ventajas: las mimas de la cilíndrica, pero con mayor rendimiento

b)

Desventajas: Hogares de magnitud muy limitada (no más de 2 m2 de superficie) debido a la dificultad de alimentación de combustible. Para evitar el problema se instalan dos o tres tubos hogares a fin de eliminar uno demasiado grande, con lo que se aumenta la superficie de calefacción y facilita la carga del hogar.

3. CALDERAS CON TUBOS GALLOWAY: En algunas calderas horizontales se instalaron tubos cónicos colocadas transversalmente en el tubo (s) hogar, con el objeto de

GENERADORES DE VAPOR aumentar la superficie de calefacción y acelerar la circulación de agua al interior de la caldera, por lo que se les llama también tubos hervidores. La más común de este tipo de calderas es la vertical de mediano volumen de agua. Se utiliza en aquellas empresas que requieren poca energía. Los tubos de sección cónica atraviesan de lado a lado el tubo hogar central vertical y cuentan frente a cada uno con una tapa removible destinada a la inspección interior de los tubos y la limpieza. 4. CALDERA CON TUBOS MULTIPLES DE HUMO: igneotubulares o pirotubulares, pueden ser verticales u horizontales.

Llamadas también

Entre las verticales las hay de dos tipos con respecto a los tubos: a) b)

De tubos semi sumergidos en los cuales el agua no cubre totalmente los tubos De tubos sumergidos, en las cuales el agua cubre totalmente los tubos

Las calderas horizontales del tipo escocesas son las de más frecuente uso en Chile, cuentan con tubos múltiples de humo, hogar interior y retorno simple o doble. Se utilizan con quemadores de carbón, leña o petróleo. Dentro de este tipo están las Locomóviles y las Locomotoras, que se caracterizan por ser de mediano volumen de agua, tiraje formado y está compuesta de tres partes bien definidas: 1.- Caja de Fuego: en ella va montado el hogar, la caja puede ser de sección rectangular o cilíndrica, de doble pared, quedando EL HOGAR RODEADO DE UNA MASA DE AGUA. Esto obliga a que las planchas de la doble pared se refuercen con tirantes o estayes (pernos o refuerzos con orificio central), para detectar filtraciones por fallas o fatigas de material. 2. Cuerpo cilíndrico: atravesado longitudinalmente por tubos de pequeño diámetro por cuyo interior circulan los gases calientes. 3.- Caja de humos: que es la prolongación del cuerpo cilíndrico, a la cual llegan los gases después de pasar por el haz tubular y salir hacia la chimenea. Trabajan normalmente con tiraje forzado, que se consigue un chorro de vapor vivo de la misma caldera o vapor de escape de la máquina. Este tipo de calderas exige mayor preocupación en su uso y operación, especialmente con la calidad del agua de alimentación, ya que existe riesgo de que se embanquen por exceso de incrustaciones y porque es muy difícil hacer limpieza mecánica-manual de los tubos por el reducido espacio que hay entre ellos. 4. CALDERAS ACUOTUBULARES O HIDROTUBULARES: Es estas calderas, por el interior de los tubos pasa agua y vapor, y los gases calientes se hallan en contacto con las caras exteriores de ellos. Son de pequeño volumen de agua.

GENERADORES DE VAPOR Son empleadas cuando se requiere de elevadas presiones y rendimiento. Su uso es bastante limitado ya que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones, se traducen en esfuerzos de tracción en toda su extensión. Su limpieza es fácil, porque las incrustaciones se quitan mediante dispositivos limpia-tubos accionados mecánicamente o por medio del aire. La circulación del agua alcanza altas velocidades, con lo que se consigue una transmisión eficiente del calor, elevándose así la capacidad de producción de vapor. Existen en la actualidad muchos diseños y modificaciones de este tipo de calderas. Las hay de tubos rectos, tubos curvos, de varios colectores y la posición de los haces tubulares pueden ser. Horizontales, verticales o inclinados. Existe también combinaciones y son las denominadas acuo-piro tubulares. 6. CALDERAS DE CIRCULACIÓN FORZADA: Son calderas acuo tubulares en las cuales la circulación de agua se efectúa a presión por medio de bombas. Trabajan a presiones relativas superiores a los 100 Kg/cm2 En este tipo de calderas el diámetro de los tubos se reduce, el circuito de los tubos, el circuito se alarga y puede disminuirse el espesor de sus paredes para presión dada. Los tubos se disponen como serpentines continuos e incluso ser colocados como revestimientos exterior del hogar. Así, se mejora la transmisión de calor, se reduce el espacio de instalación y los colectores o cuerpos cilíndricos son suprimidos. Otras ventajas: a) Rápida puesta en marcha, ya que bastan minutos para obtener vapor, b) son mucho más livianas que las de tipo convencional de la misma capacidad, c) Requieren de menor espacio y d) sus funciones son más sencillas. Desventajas: El agua de alimentación debe ser de muy buena calidad, ya que en contrario los tubos se incrustan y queman inutilizando la caldera. Son totalmente automáticas por lo cual es fundamental el control y mantenimiento de sus instrumentos o mandos. 7. COMPORTAMIENTO DE LA CALDERA: Se entiende por tal su capacidad de producir vapor con eficiencia. El comportamiento se expresa en función de los kg de vapor producido por metro cuadrado de superficie de calefacción y por hora. Esta producción de vapor se ha elevado considerablemente, pasando de los 15 a 25 kg/m2 de las calderas tradicionales de gran y mediano volumen de agua, a 50 kg/m2 en las calderas de pequeño volumen y hasta 150 o más kg/m2 en algunos tipos de calderas de radiación y circulación forzada. La mayor producción de vapor, se basa principalmente en la circulación de agua en el interior de los tubos, con una velocidad tal, que el vapor que se forma por calentamiento,

GENERADORES DE VAPOR debe ir saliendo con la misma corriente del agua que se evapora, porque de no ser así, el vapor formaría burbujas creando espacios vacíos en el líquido que no podrían absorber el calor transmitido, quemándose el material en los tubos. Notemos la diferencia: En las calderas tradicionales de hervidores y grandes cuerpos cilíndricos, apenas hay circulación de agua. Únicamente puede acelerarse por la ubicación de la línea de alimentación de agua. En cambio en las calderas acuotubulares aún con tubos poco inclinados, ya se asegura una circulación definida, aunque lenta. En las calderas de tubos verticales y fuertemente inclinados, la circulación por diferencia de temperatura, adquiere velocidades considerables, especialmente si por diseño, los tubos descendentes están aislados. En estas condiciones se puede obtener una potencia vaporizadora de hasta 65 o 66 Kg/m2 de superficie de calefacción.

8. COMPONENTES DE UNA CALDERA: Antes de empezar, definamos: Caldera: Recipiente metálico destinado a producir vapor, mediante la acción de calor, a una temperatura y presión mayores que la atmosférica. Generadores de vapor: Conjunto formado por la caldera y sus accesorios. Superficie de vapor: Superficie en contacto por un lado con los gases y humos de la combustión y el agua por el otro, medida la superficie por el lado que está en contacto con los gases calientes. a) Hogar: lugar donde se produce la combustión. Se compone del hogar propiamente tal, la puerta del hogar, y cenicero y la puerta de cenicero. Se le designa también con el nombre de fogón, caja de fuego y naturalmente corresponde a la parte donde se quema el combustible. Ya no se utilizan las calderas de hogar exterior por anti económicas, siendo reemplazadas por los hogares interiores que aprovecha mejor el calor. Los hogares pueden ser para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Puerta del hogar: En las calderas que utilizan combustible sólido, el hogar lleva puerta metálica, con bisagras revestida interiormente de refractarios, a veces con doble pared, y con orificios de refrigeración. Por ella se alimenta el combustible, se aviva el fuego y se saca la escoria. En aquellas que trabajan con combustibles líquidos, la puerta es un marco metálico sobre el que va montado el quemador y puede abrirse para hacer inspecciones o reparación del hogar, ya que dispone de bisagras. Las paredes de los hogares en las calderas modernas son de tres clases:

GENERADORES DE VAPOR 1° De refractario macizo, que se emplean en calderas de poca producción de vapor por m2 de superficie de calefacción, ya que su uso está limitado por el efecto combinado del peso y temperatura a la cual se deforma el ladrillo. 2° De refractario colgante o sostenido: el refractario descansa en una armazón de perfiles metálicos, siendo la estructura refrigerada por aire que se utiliza como aire secundario en la combustión. 3° De camisa de agua: Las camisas de agua son haces tubulares continuos adosada a la pared refractaria, que por un lado la protegen de la erosión y por otro son altamente eficientes en la absorción de calor radiante, pudiéndose conseguir con ellos grandes producciones de vapor. Actualmente es frecuente ver hogares dentro de estructuras tubulares, lo cual se denomina “Calderas de hogar integral”. Cenicero: Parte integrante del hogar ubicada debajo de la parrilla, sirve como depósito de cenizas. Debe mantenerse limpio para no obstaculizar el paso del aire primario, necesario para la combustión. En algunos casos el cenicero es un depósito de agua que, apaga las partículas de carbón encendidas y cenizas que caen, produciendo vapor, que ayuda a refrescar las parrillas. Puerta del cenicero: Esta puerta tiene por finalidad regular la entrada de aire que debe pasar a través de las parrillas (aire primario de la combustión). Generalmente debe permanecer abierta y la regulación del tiraje se hace con el templador de la chimenea. Al trabajar con combustible sólido, se recomienda cerrar esta puerta cuando se efectúa el emparejamiento del combustible, avivar el fuego, limpieza de los fuegos o cargar combustible, para evitar el retroceso de la llama o lengua de toro, que podría ocasionar lesiones al fogonero. Emparrillado: Tiene por objeto servir de sostén al lecho de combustible y permitir el paso del aire para la combustión. El tipo de parrilla que se use, estará de acuerdo al tipo de combustible a emplear y deberá cumplir como mínimo, las siguientes condiciones: 1)

Debe distribuir convenientemente el aire necesario para la combustión sin ofrecer resistencia.

2)

El espacio libre entre parrilla y parrilla (huecos) debe ser proporcional al combustible utilizado, permitiendo que sólo las cenizas caigan al cenicero.

3)

Debe tener forma y separación apropiadas, de modo que eviten la aglomeración de escoria fundida y la consiguiente obstrucción de los huecos.

4)

Deben permitir la limpieza fácil y rápida de los fuegos durante la operación

GENERADORES DE VAPOR 5)

Las barras deben ser de material durable y resistente al calor para evitar que se deformen o quemen.

En algunos emparrillados se utilizan barras huecas con refrigeración por agua, para evitar que se fundan, quemen o deformen. Altar: Es el muro refractario que va a continuación de la parrilla y su altura está en relación a la magnitud del hogar. Cumple las siguientes funciones: I) Impide que al avivar, atizar o cargas los fuegos, caigan partículas de combustible o escoria al primer tiro de los gases. Las calderas acuotubulares llevan una tapa en cada extremo de los tubos para la inspección interior, los orificios son también elípticos para que las tapas puedan introducirse y quedar en posición normal por la presión ejercida desde el interior. (Calderas Galloway por ejemplo). Puertas de hombre: Cumplen el objetivo de entrar una persona para la inspección interior y limpieza si es necesario. Pueden tener una o más puertas de este tipo, dependiendo del tamaño y tipo de caldera. 2) Servir de cierre posterior al cenicero 3) Imprimir a la corriente de aire de combustión una distribución lo más uniforme posible y una dirección ascendente vertical a todo el largo y ancho de las parrillas 4) Restringir la sección de salida de los gases calientes aumentando su velocidad, lo que facilita su mezcla y contacto con el aire generando una combustión más completa. Conductos de humo: Son los ductos por las cuales circulan los humos y gases calientes que se han producido en la combustión. En estos ductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera, estos conductos deben instalarse o construirse de modo que el extremo superior quede 4 pulgadas (10 cm) debajo del nivel mínimo de agua de la caldera. Caja de humos: Es el recinto, espacio o reservorio de la caldera que colecta los humos después de haber pasado por todos los conductos y antes de salir por la chimenea. Chimenea: Él es conducto que da salida a los gases de la combustión. El tiro debe ser adecuado para que la combustión se efectúe en buenas condiciones y de modo continuo, o sea, que pase el aire necesario y suficiente para que el combustible se queme bien. Los gases deben ser evaluados a una altura suficiente para evitar perjuicios y molestias al entorno. La circulación de aire que se produce por diferencia de densidad entre los gases calientes que ascienden por la chimenea y el aire ambiental que baja, origina una corriente de aire fresco que atraviesa el cenicero y sirve a la combustión.

GENERADORES DE VAPOR Las dimensiones de la chimenea en cuento a altura y diámetro estarán determinadas por el tiraje necesario y las condiciones de instalación con respecto al entorno y vecindad. Actualmente las calderas utilizan tiraje artificial en las que el movimiento del aire se hace por medio de ventiladores, sin descartar el uso de la chimenea. Regulador de tiraje o templador: Es una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea, o bien en la propia chimenea. El operador la puede accionar a voluntad para regular la cantidad de aire según el mayor o menor paso de salida de los gases. Mampostería: Se llama así a la tradicional construcción de ladrillos (refractarios y comunes) que tienen como objeto cubrir la caldera para evitar desprendimiento de calor al exterior. Muchas veces en ellos mismos se disponen los conductos de humo. Es normal que se dispongan en la pared espacios huecos destinados a la dilatación para evitar ruptura de ladrillos, destrucción de la mampostería. Cualquier daño en la mampostería debe ser reparado a la brevedad para evitar fugas de gases y/o pérdidas de tiraje. Actualmente en muchas calderas se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo y se coloca sólo aislación térmica en el cuerpo principal y caja de humos. El aislamiento utilizado es en base a asbesto, lana mineral y otros. Cámara de agua: Es el recipiente que contiene el volumen de agua que la caldera resiste. Tienen en su límite inferior en nivel mínimo, del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Cámara de vapor: Es aquella parte de la caldera que queda sobre el nivel superior del agua o volumen ocupado por el valor considerando el nivel máximo admisible de agua. En esta cámara debe separarse el vapor de las partículas de agua que lleva en suspensión (vapor seco). Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe de ser el volumen de la cámara a fin de que aumente la distancia entre el nivel del agua y la válvula principal de salida de vapor. Es por esta razón que algunas calderas llevan un domo o cilindro en la parte superior, que contribuye a mejorar la calidad del vapor. Cámara de alimentación de agua: Es aquella parte de la caldera que durante su funcionamiento se encuentra ocupada indistintamente por vapor o por agua, según donde se encuentre el nivel. Será por si se encuentra en su nivel mínimo o por agua si se encuentra en su nivel máximo de trabajo. Podemos resumir diciendo que es el espacio que está entre los niveles máximo y mínimo de agua. Tapas de registro, inspección o lavado: Tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior, o lavarlas para extraer de manera mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y no salgan con las purgas. En caso de incrustaciones adheridas a las paredes o planchas se puede utilizar varillas o raspado si el espacio lo permite. Casi todas las tapas tiene formal oval para ajustar las tapas de adentro hacia fuera. Llevan una empaquetadura para su ajuste y un perno centra para apretar. Algunas tiene orificios cilíndricos que se sellan con tapas tornillos.

GENERADORES DE VAPOR

ACCESORIOS DE LAS CALDERAS

1.

ACCESORIOS DE OBSERVACIÓN

1.1 .Indicadores de nivel agua: 1.1.1.Tubos de nivel para observación directa 1.1.2.Grifos o llaves de prueba 1.2. Indicadores de presión: 1.2.1. Manómetro 1.2.2. Altímetros 1.3. Analizadores de gases de la combustión: 1.3.1. Indicador de CO2 1.3.2. Indicador de CO 1.3.3. Indicador de O2 1.4. Indicadores de temperatura: 1.4.1. Termómetro 1.4.2. Pirómetros para medir altas temperaturas 2.- ACCESORIOS DE SEGURIDAD 2.1. Válvula de seguridad: 2.1.1. De palanca y contrapeso 2.1.2. De peso directo 2.1.3. De resorte 2.2. Tapones fusibles 2.3. Alarmas 3.- ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE AGUA 3.1. Bombas 3.1.1. Centrífugas verticales 3.1.2. De émbolo sencilla o dúplex 3.2. Inyectores

GENERADORES DE VAPOR 3.2.1. Manuales 3.2.2. Automáticos 3.2.3. Botella o calderas 4.- ACCESORIOS DE LIMPIEZA 4.1. Puertas de inspección 4.1.1. Tapas de registro 4.1.2. Puertas de hombre 4.2. Llave de purga 4.2.1. Válvula de extracción de superficie 4.2.2. Válvula de extracción de fondo 4.3. Sopladores de hollín y limpia tubos mecánicos 5. ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE 5.1. Quemadores de combustibles líquidos 5.2. Quemadores de combustibles sólidos 6.

CONTROLES AUTOMÁTICOS

6.1. Control de nivel de agua 6.2. Control de temperatura 7.- ACCESORIOS PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA DE LA UNIDAD GENRADORA 7.1. Economizadores 7.2. Calentadores de aire 7.3. Retardadores 8.- ACCESORIOS PARA CONTROLAR O REGULAR EL GRADO DE RECALENTAMIENTO DE VAPOR 8.1. Recalentadores 8.1.1. Integrales 8.1.2. De fuego separado

GENERADORES DE VAPOR 8.2. Saturadores – derrecalentadores 1.- ACCESORIOS DE OBSERVACIÓN 1.1. Indicadores de nivel de agua: 1.1.1. Tubo de nivel es un conjunto de dos tubos, uno conectado a la cámara de agua y el otro a la cámara de vapor, ambos se encuentran unidos exteriormente por un tubo de vidrio, que es el indicador, en base al principio de los vasos comunicantes, del nivel de agua que hay en el interior de la caldera. Todo el sistema debe estar debidamente asegurado en sus extremos mediante prensas con sus respectivas gomas y agilillas. La normativa vigente en nuestro país exige el uso de dos indicadores de nivel de agua para toda caldera, uno de los cuales será de observación directa (tubo de vidrio por ejemplo), pudiendo el otro estar compuesto por tres llaves de prueba. Deben instalarse en la parte más visible para el fogonero y si estuviese a una altura de 3 o más metros sobre el nivel del suelo, se le dará la inclinación suficiente que facilite la observación. La conexión superior con la caldera será con la cámara de vapor y la inferior debe quedar al nivel mínimo de agua (tuerca de la prensa – estopa), de esta forma el nivel mínimo admisible de agua en la caldera estará a lo largo del tubo de vidrio, el cual naturalmente debe estar marcado de manera clara e indeleble. El ajuste definitivo de empaquetaditas debe hacerse con la caldera con vapor, cuidando de no dañar el tubo de vidrio y no sufrir quemaduras o accidentes. Es recomendable aislar el tubo al ejecutar estas operaciones, ya que se dispone de válvulas para este efecto. Con la caldera en operación las válvulas que comunican el tubo con las cámaras de vapor y agua, pero debe permanecer cerrada la válvula de desagüe (la que lo comunica con la atmósfera) Para tener siempre la información correcta del nivel de agua, es recomendable hacer pruebas y descargas diarias por todas las llaves, para evitar indicaciones falsas de nivel. Pruebas del tubo de nivel: a) Prueba de agua: Se cierra la válvula que comunica con la cámara de vapor, manteniendo abierta la que comunica con la cámara de agua, el agua debe llenar el tubo de vidrio. Abriendo la llave de desagüe se vacía el tubo y continúa saliendo el agua por la unión inferior del tubo de nivel. b) Prueba de vapor: El procedimiento es inverso, se cierra la llave que comunica el tubo con la cámara de agua y se mantienen abierta la unión superior, si se abre la llave de desagüe el vapor escapará por el tubo de vidrio.

GENERADORES DE VAPOR Posibles fallas en el sistema indicador de agua: Si la caldera está con agua, en servicio o detenida, y luego de abrir la llave de desagüe no sale ni agua, ni vapor, estamos frente a una obstrucción de los conductos por sedimento u otras causas. Cualquiera de las dos comunicaciones (agua o vapor) que se obstruya, el tubo indicará un nivel falso, siendo muy peligroso que se obstruya la conexión de vapor, ya que el tubo se llenaría de agua existiendo un nivel inferior dentro de la caldera, por la diferencia de presiones dentro del tubo de vidrio, lo que podría producir un recalentamiento a la caldera. Reparación: Se cierran ambas llaves y se destapan los conductos sacando las tuercas, que para este efecto tiene cada conexión al frente de ellas, luego se probará su funcionamiento con agua y con vapor, por separado. Si se producen fugas de agua o vapor las empaquetaduras, se debe proceder a su reparación inmediata para evitar daños a las personas y quebradura del tubo de vidrio. El tubo de vidrio se desgasta por las condiciones normales de uso, razón por lo cual en las inspecciones debe de tenerse especial cuidado en la observación. Ante cualquier principio de desgaste debe procederse al cambio. Hay que preocuparse de las corrientes de aire para prevenir la rotura de tubos, especialmente si están inclinados ya que los esfuerzos en sus conexiones con las prensas – estopas son diferentes. 1.1.2. Grifos de prueba: Ya dijimos que son tres llaves, la primera se coloca por sobre el nivel máximo de agua, o sea, en la cámara de vapor, por lo cual por ella siempre debe de salir vapor al abrirla. La segunda llave debe estar colocada en el nivel normal de trabajo de la caldera, dentro de la cámara de alimentación, y por ella debe salir una mezcla de agua y vapor. La tercera llave está ubicada en el nivel mínimo permisible de agua, y por ella debe salir agua. Una manera sencilla de comprobar si sale agua o vapor es colocar un cartón o madera contra el corro, y certificarlo. Es fundamental que los grifos de prueba (las llaves) estén siempre en buenas condiciones de uno, ya que reemplazan al tubo de vidrio de observación directa si se quiebra o el sistema tiene fallas. Normalmente las llaves están comprometidas dentro de la longitud del tubo de vidrio. 1.2. Indicadores de presión: Son instrumentos destinados a medir e indicar de forma clara y p0recisa la presión efectiva del vapor. 1.2.1. Manómetros: Es un instrumento indispensable en cualquier caldera, indica la presión efectiva del vapor en Kg/cm2 o Lb/pul.2, que existe en el interior de la caldera.

GENERADORES DE VAPOR El manómetro está conectado a la cámara de vapor de la caldera con una cañería en forma de “s” para que sobre él obre agua y no vapor. El objetivo de la “s” es evitar el contacto del vapor con el interior del mecanismo a fin de que no se deforme o dilate con el calor y pierda fiabilidad (exactitud). En la curva “s” se acumula vapor condensado (agua), con lo cual se forma un sello de agua que siempre actuará sobre el instrumento. El manómetro, puesto en simple, es un tubo elíptico curvado, cerrado en un extremo, que al dilatarse (moverse) hace girar un engranaje, que a su vez hace girar la aguja que va montada de tal forma que se desplaza por una esfera graduada. La mecánica operativa es la siguiente: La presión del agua , vapor o cualquier fluido tiende a enderezar el tubo, ya que al estar uniformemente distribuida en su interior, ejerce mayor presión en las paredes externas, de mayor superficie que las internas. Cuando la presión disminuye hace que el tubo recupere su forma, cuando disminuye a 0 regresa a su estado original, con lo cual la aguja regresa también a 0. Es importante tener en cuenta que en general los manómetros de agua empiezan a moverse (indicar), cuando existen 4 o 5 Lb/pul2 de presión, dependiendo de la sensibilidad del instrumento. Con el avance tecnológico, actualmente se han incorporado instrumentos con lectura digital, basados en procesos electrónicos. En estos casos la metrología es muy importante. Con la caldera en operación con consumo irregular de vapor, la aguja del manómetro tendrá pequeñas oscilaciones, lo que es enteramente normal. Para el buen funcionamiento y fiabilidad de los manómetros se debe tener en cuenta: a)

Deben estar ubicados de tal forma que nunca se calienten a más de 50°C.

b)

Deben tener indicador rojo en el punto exacto de la presión máxima admisible

c)

Debe tener capacidad para indicar una y media vez la presión autorizada de trabajo, para la prueba hidráulica de la caldera.

d) e)

Entre el manómetro y la caldera debe existir una llave de paso que permita el cambio del instrumento cuando sea necesario. Esta llave debe permanecer siempre completamente abierta, para evitar falsas indicaciones de presión. La cañería “s” debe revisarse periódicamente a fin de mantenerla limpia y expedita, en contrario, acumulaciones de sedimentos impedirán el libre paso del vapor.

f)

Nunca debe haber filtraciones en la línea de conexión para evitar indicaciones erróneas

g)

El manómetro debe ser adecuado al tipo de caldera.

GENERADORES DE VAPOR Nunca se mantendrá en funcionamiento un manómetro cuando presente alguno de los siguientes defectos: 1) 2) 3) 4) 5)

Sin vidrio o con el vidrio quebrado Con la esfera en mal estado o con los números borrados Defectuoso, por ejemplo que marque presión cuando la caldera está paralizada Cuando la llave de conexión tenga defectos o no abra bien Si su cañería de conexión no es “s”.

1.2.2. Altímetro: Es un instrumento destinado a medir la presión en metros de columna de agua, se utiliza en calderas de calefacción por agua caliente. 1.3. Analizadores de gases de la combustión: Son aparatos destinados a controlar la combustión dentro del hogar, mediante el análisis de los gases que salen por la chimenea. Mientras mayor sea la cantidad de anhídrido carbónico (CO2) que indique el instrumento, significa que la combustión es correcta en cuento a la proporción en la mezcla de combustible – aire. El instrumento en si opera sobre la comparación de la influencia tanto del aire como de los gases de combustión sobre la resistencia de alambre, generalmente de platino. Unos alambre quedan sometidos a la influencia del gas de la combustión y otros están en la cámara de aire. La mala conductividad calórica del anhídrido carbónico dificulta el enfriamiento de los alambres de platino en contacto con los gases, de lo cual resulta una diferencia entre las resistencias y un desequilibrio en las corrientes que atraviesan los conductores, que va a ser en función de la proporción de CO2 que contienen los gases y es lo que marca. La proporción de CO (monóxido de carbono) se mide mediante un segundo puente, cuyos alambres de platino son calentados a alta temperatura. Uno de estos alambres está sometido al gas de la combustión. Debido a la acción catalizadora del platino, el monóxido de carbono (CO) que es combustible se quema sobre la superficie del alambre calentándola, lo que rompe el equilibrio en el instrumento indicado directamente la proporción de CO. La lectura del instrumento de CO (gases no quemados) debe de ser breve a fin de evitar la pérdida de combustible por mala combustión. 1.4. Indicadores de temperatura: En calderas se utilizan termómetros y pirómetros para medir las temperaturas del agua de alimentación, temperatura del vapor, de los gases de combustión y del hogar. Se usan pirómetros para temperaturas hasta 1.500°C, y termómetros con resistencia para temperaturas hasta 550°C como máximo. 2.- ACCESORIOS DE SEGURIDAD

GENERADORES DE VAPOR 2.1. Válvulas de seguridad: Deben ir conectadas directamente a la cámara de vapor de la caldera, independiente de cualquier otra conexión o toma de muestra, sin interposición alguna y obstrucción. Todas las calderas deben disponer de una o más válvulas de seguridad cuyo objetivo es evacuar el vapor cuando sobrepasa la presión normal de trabajo autorizada, con lo cual se evita sobre presiones en los generadores de vapor. La válvula de seguridad debe regularse a un 6 % sobre la presión normal de trabajo. La o las válvulas de seguridad deben ser capaces de evacuar todo el vapor que produce la caldera, aunque no haya otro consumo, antes de que la presión sobrepase el 10% de la presión de trabajo autorizada. 2.1.1. Válvulas de seguridad de palanca y contrapeso: El cierre de la válvula se efectúa mediante un contrapeso colocado sobre un brazo de palanca que la presiona. Este tipo de válvula utiliza un contrapeso de una pieza y la palanca no debe sobrecargarse con nada, y menos amarrarse para evitar su funcionamiento, ya que con eso se elimina el dispositivo de seguridad que representa. Debe probarse diariamente levantado manualmente el contrapeso, para asegurarse de su normal funcionamiento. La regulación se consigue acercando o alejando el contrapeso de la válvula. 2.1.2. Válvulas de peso directo: Este tipo utiliza discos metálicos para la presión exterior, que se van colocando sobre ella. La regulación se hace agregando o quitando discos en los vástagos de la válvula. Los expertos recomiendan la elección de válvulas de seguridad del tipo Resorte de Disparo, asentadas con una inclinación de 45° a 90° con respecto a la línea central del vástago. 2.1.3. Válvulas de Seguridad con resorte de disparo: El esfuerzo de cierre de la válvula se consigue con un resorte calibrado, cuya tensión está en proporción al rango de la presión de trabajo autorizado de la caldera. La regulación se hace mediante un mecanismo de graduación que disminuye o aumenta la tensión del resorte. Disponen o deben disponer de mecanismos que permitan abrirlas para desplegarlas de su asiento, operación que el operador a cargo debe realizar en forma manual todos los días. 2.2. Tapones fusibles: No todas las calderas llevan este tipo de tapón, ya que en algunas, por diseño no se justifica. En la práctica en un tapón de bronce hilado para atornillarlos al caldero, tienen un orificio cónico en el centro, que está relleno con plomo o estaño, cuyo punto de fusión será de 250°C como máximo. Estos accesorios pueden atornillarse desde adentro hacia a fuera o viceversa, todo depende del tipo de fusible.

GENERADORES DE VAPOR Estos tapones van instalados en el cielo de aquellas calderas con hogar interior (Locomóviles, locomotoras, Lancashiere, vertical de tubos Galloway, etc.) EL OBJETIVO ES QUE CUANDO EN NIVEL DE AGUA BAJA MAS ALLA DEL LIMITE INFERIOR ADMISIBLE, QUEDA EL TECHO DEL HOGAR SIN AGUA SE FUNDE LA ALEACIÓN DEJANDO CAER AGUA CON VAPOR SOBRE EL FUEGO APAGÁNDOLO. Esto además sirve de alarma sirve de alarma de fogonero, evitando mayores perjuicios. Los tapones fusibles deben ser reemplazados cuando: a) b) c) d) e)

La aleación está suelta (hay filtraciones) Aleación recalentada (se nota hundida por el interior de la caldera) Hay filtraciones por el hilo (suelto, rodado) Aleación corrida, significa que está fundida por falta de agua Tapón quebrado.

Los tapones fusibles nunca deben reemplazarse por pernos o soldar el orificio donde van colocados. En las inspecciones por el interior de la caldera se debe verificar que no se encuentre cubierto de sales, cuando así sucede, el orificio queda siempre tapado, ya que las incrustaciones impiden la salida del vapor o el agua. En las inspecciones hay que tener la capacidad para discriminar lo que es normal y anormal por el uso. 2.3. Alarmas: 2.3.1. Silbato de alarma: Algunos generadores de vapor lo tienen incorporado este accesorio de seguridad funciona cuando el nivel de agua desciende más allá del nivel normal. Su funcionamiento es el siguiente: Consiste en un tubo metálico con el extremo inferior abierto sumergido en el interior de la caldera hasta el nivel mínimo admisible. En otro extremo (superior) lleva un silbato obstruido por un fusible de 100°C, rodeado de un tubo espiral expuesto al enfriamiento exterior. Mientras el agua cubre la entrada inferior del tubo, la presión del vapor lo mantienen lleno de agua. Al bajar el agua del mínimo admisible, queda al descubierto en extremo inferior del tubo, que queda sin agua, el fusible se funde dejando pasar el vapor que hace funcionar el silbato y la consiguiente alarma. 2.

ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE AGUA: CUMPLEN EL OBJETIVO DE REPONER ÉL LIQUIDO QUE SE EVAPORA AL INTERIOR DE LA CALDERA. Requisitos mínimos: a)

Toda caldera debe disponer de dos medios de alimentación, de los cuales uno debe ser accionado independientemente del vapor de la caldera.

GENERADORES DE VAPOR b)

Cada uno de los medios o dispositivos de alimentación debe ser capaz de inyectar 1,6 veces la cantidad máxima de agua vaporizada por la caldera.

c)

La presión que debe producir cada elemento alimentador, debe ser como mínimo 1,1 veces la presión máxima de trabajo del generador de vapor, aumentada en el porcentaje que corresponda a posibles pérdidas de carga ocasionadas por las cañerías.

d)

Siempre deben estar en buenas condiciones de uso

e)

La cañería de alimentación estará provista de una válvula de retención ubicada cerca de la caldera, y de una válvula de cierre manual ubicada entre la caldera y la válvula de retención.

3.1. Bombas de alimentación a)

Bombas de émbolo: Pueden ser con uno o varios cilindros, funcionan ejerciendo directamente la presión sobre el líquido bombeado. La entrada y salida de la bomba está controlada por válvulas que se abren y cierran intermitentemente.

Pueden ser accionadas por motores eléctricos, máquinas de vapor o manualmente para escasa potencia. Este tipo de bombas se les conoce como “aspirantes – impelentes”, la más simple consiste en un cilindro dentro del cual se desplaza un émbolo o pistón, son de efecto simple, es decir, succionan e impulsan por una cara del émbolo. Si la bomba consta de un solo cilindro de llama simple, si consta de dos se llama dúplex. Los dúplex, que se les conoce como “caballitos de vapor” cuentan con dos cilindros de vapor y donde agua, con sus respectivos émbolos. Los cilindros es vapor al igual que los de agua van instalados en pareja. Las bombas de este tipo son de doble efecto, es decir, los émbolos aspiran y descargar por ambos extremos. Las bombas accionadas por vapor, tienen una cañería que las alimenta de vapor y una de escape, una cañería de aspiración de agua y otra de descarga. Con el propósito de mantener un caudal de agua constante en la descarga, se utilizan campanas de aire o cámaras de aire, ya que el aire encerrado en este recinto se comprime cuando la bomba descarga agua y al cambiar de sentido el pistón de expansiona el aire en la cámara, manteniendo así constante la descarga, este sistema es más necesario en la bomba simple que en el dúplex por su intermitencia en las descargan. Debe quedarnos claro que el vapor consumido por este tipo de bombas normalmente se pierde, lo que se traduce en pérdida de calor y baja el rendimiento de la caldera.

GENERADORES DE VAPOR 3.1.1. Bombas centrífugas: Este tipo de bombas ejerce la presión sobre el líquido por rotación de un impulsor alojado dentro de la carcasa. En estas bombas la entrada y salida de agua son continuas, sin válvulas y sin dispositivos de control en la unidad. Funcionan accionadas por turbinas de vapor, correas de transmisión, por motores de combustión acompañados directamente sobre el eje de un motor eléctrico con acoplamiento flexible. El agua entra al elemento impulsor por su centro y fluyendo radicalmente hacia afuera abandonando el rodete a gran velocidad, lo que permite generar una energía de presión, capaz de vencer la resistencia interna de la caldera. Las bombas centrífuga proporcional caudal continuo, por lo que se utilizan con mucho éxito para servicios de grandes presiones relativas empleando bombas de escalonamientos múltiples (varios rodetes impulsores). Como ventaja tienen bajo costo de instalación, mantenimiento y funcionamiento que las de émbolo. Como desventaja anotamos que su rendimiento no es tan alto como las de émbolo y no funcionan bien cuando tiene que aspirar a grandes alturas o deben bombear pequeños caudales y descargarlos a grandes presiones, por lo tanto no pueden emplearse cuando la presión y el caudal son muy variables. La capacidad de una bomba se expresa mediante la cantidad de agua que puede descargar por espacio de tiempo. Ejemplo 21/seg o 1201/min. 3.2. Inyectores de agua: Los inyectores funcionan con el mismo vapor de la caldera y son capaces de descargar agua contra una presión relativa de 2 a 4 Kg/cm2 mayor que la del vapor que los alimenta, y el calor que lleva el vapor es devuelto a la caldera por el calentamiento del agua de alimentación al mezclarse en el interior del inyector. Al entrar en vapor en el dispositivo adquiere una gran velocidad en la primera tobera o cono, debido a su presión y comunica una cierta cantidad de energía al agua que lleva la cañería de alimentación, calentándola. La acción implica el paso del agua a lo largo de la tobera o cono de aspiración, de la tobera de descarga y de la cañería de salida. Este efecto hace posible que se levante la válvula de retención de descarga y se venza la presión interna de la caldera. El agua de alimentación puede entrar al inyector por la cañería de alimentación debido a que, al pasar el vapor se produce un vacío parcial en la tobera de aspiración, lo que implica que la presión atmosférica empuja el agua hacia el interior del inyector. La presión mínima para que un inyector funciones es de 35 Lb/pulg2, aunque a veces se ofrecen aparatos que trabajan con presiones inferiores, por lo menos en Chile, no han dado buenos resultados. Un inyector trabaja mejor, mientras mayor sea la presión del vapor de la caldera y más fría el agua de alimentación. Los inyectores del tipo automático no tienen válvula de aguja, se accionan directamente con la válvula manual que permite el paso de vapor. En este tipo de inyector, las toberas,

GENERADORES DE VAPOR tradicionalmente llamadas “cornetas”, se cambian cuando la sección de conos desgaste. Las toberas no tienen regulación y se calibran al fabricarlos.

acusa

Recordar que en el rebalse llevan una válvula que impide la entrada de aire al inyector. 3.2.1. Alimentación por caldereta o botellas: Este sistema se utiliza en calderas de baja o muy pequeña potencia, y consiste en un recipiente de alimentación, que debe tener la misma resistencia mecánica que la caldera. Va ubicada en el nivel más alto, tienen sus cámaras superiores e inferiores comunicadas entre sí. La botella tiene además comunicación con la atmósfera y una conexión por la cual se le suministra agua mediante un embudo. Para alimentar la caldera se igualan las presiones abriendo la válvula que permite el paso de vapor desde la caldera a la botella, después se abre el paso de agua desde la caldereta a la caldera y esta caerá por su propio peso. Este sistema se conoce también como de alimentación por gravedad, debe quedar claro que para realizar la operación que la válvula atmosférica y demás comunicaciones deben estar cerradas. Ningún sistema de alimentación de calderas puede estar conectado directamente a la red de agua potable. ¿Puede explicar por que?

4.- ACCESORIOS DE LIMPIEZA: Están destinados a efectuar ya sea la limpieza interior de la caldera o exterior en los conductos de humo. 4.1. Puertas de inspección: Aquí está la puerta de visita y las tapas de registro, que van instaladas en la misma caldera y tiene objetivo permitir la limpieza e inspecciones interiores de los colectores principales o de los tubos, según su ubicación. La o las puertas de visita son las que permiten la limpieza sé los conductos de humo. Muchas veces las puertas de visita se acondicionan con contrapesos o resortes calculados para que se abran ante un exceso de presión y permitan la salida de los gases al producirse una mezcla explosiva en la cámara de combustión. Las puertas que cuentan con este acondicionamiento se denominan puertas de explosión. 4.2. Llaves de purga Están ubicadas en las partes bajas de la caldera, tienen como objetivo permitir la extracción de lodos provenientes de la evaporación de aguas duras y la acción del uso de desincrustantes. Se utilizan también para vaciar las calderas. En estas llaves no están permitido el uso de válvulas de compuerta, ni de globo, ya que deben dejar libre o abrir totalmente la sección o cañería de descarga. Algunas calderas las incorporan a la altura del nivel de agua, dentro de la cámara de alimentación, para botar impurezas livianas. En las más modernas viene un sistema de

GENERADORES DE VAPOR purga continuo, llamado extracción de fondo, que consiste en un tubo pequeño que recoge impurezas a medida que precipitan, lo que no basta que se haga una purga normal con las grandes llaves de extracción de fondo. Las extracciones de fondo pueden realizarse a cualquier presión que tenga la caldera, pero el método y la frecuencia dependerá de cada instalación en particular. 4.3. Sopladores de hollín: así se denomina a los limpia tubos mecánicos, que cumplen con limpiar el hollín que se acumula en las caras interiores expuesta a los gases de la combustión. Esta limpieza debe hacerse con regularidad ya que el hollín tiene alto poder aislante del calor. La limpieza se hace con lanzas de vapor movidas a mano, con sopladores de hollín con chorro de vapor o con cepillos de acero. Los sopladores de hollín están instalados permanentemente en la caldera y distribuidos de tal manera que todas las partes expuestas a la acumulación de hollín puedan limpiarse con chorros de vapor, que cuentan con mecanismos para ser dirigidos. Como medio automático de soplado de hollín se utiliza aire comprimido, pero genera mayor contaminación ambiental. Es normal que en algunas instalaciones, las altas temperaturas de determinadas zonas de los conductos de humo, obliguen a sacar los sopladores de hollín para evitar que se fundan. Los limpia tubos mecánicos pueden ser: De tipo vibratorio, que desprendan la incrustación por medio de golpes rápidos y sin aplicables a calderas acuotubulares e ígneo tubulares. De tipo Fresa Giratoria, que arrancan la escoria mediante herramienta cortante, este tipo se aplica solamente en calderas de tubos de agua. El resto de accesorios de limpieza son: Escoriadores, rastrillos, atizadores, barrotes y escobillas limpia tubos. 5.- ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE Se define como combustible, aquellas sustancias que al combinarse con el oxígeno atmosférico desarrollan calor en el proceso de combustión. 5.1. Quemadores de combustibles líquidos. 5.2. Quemadores de combustibles sólidos. Estas materias las estudiaremos en detalle al tratar el capítulo de combustibles y combustión y en capítulo de riesgos de incendios y explosión. 6. CONTROLES AUTOMÁTICOS: Se encuentran incorporados en algunos generadores de vapor en los sistemas de alimentación de agua y de combustión. No pueden considerarse accesorios de seguridad, ya que no lo son. Su objetivo es regularizar el

GENERADORES DE VAPOR funcionamiento de la caldera y aliviar la labor del fogonero, pero tampoco lo pueden reemplazar. Requieren de una revisión mensual como mínimo, hecha por personal especializado, ya que son muy sensibles y complicado, por lo tanto susceptibles de fallos imprevistos. Funcionan en base a dilatación de metal o aleación de metales, pueden ser de circuito abierto o cerrado y de circuito cerrado a circuito abierto. Existen del tipo presostatos, que funcionan en razón a máxima y mínima presión de trabajo y actúan sobre el quemador apagándolo al llegar a la máxima presión y encendiéndolo al llegar a la mínima. Otros son del tipo termostatos, es decir, actúan en base a la temperatura, vapor o gases de la combustión, apagando el quemador al llegar a la temperatura programada y lo encienden cuando baja. Los controles del nivel de agua actúan por medio de flotador, que al llegar al nivel máximo de agua corta la corriente de agua de la bomba de alimentación. Al bajar el nivel vuelve a abrir y conecta la bomba. En caso de fallo y que la bomba no responda, dispone de una tercera posición a la que llega por bajada del nivel de agua, en la cual corta la corriente al quemador y se apagará. En general es un sistema muy parecido al del silencioso del W. C. 7. ACCESORIOS PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA DE LA UNIDAD GENERADORA DE VAPOR. 7.1. Economizadores: Son implementos que se instalan en algunos generadores de vapor para aprovechar el exceso de calor que llevan los humos y gases a la chimenea. Se aprovechan con los depósitos economizadores en los cuales se precalienta el agua de alimentación. Ventajas que se obtienen: a)

Se reducen las grandes variaciones de temperaturas en planchas y tubos de las calderas, con lo cual se consigue más estabilidad de la presión.

b)

Se aprovecha calor que de otra manera se despilfarraría por la chimenea junto a gases y humos.

c)

Se logra una purificación parcial del agua ya que al calentarse en el economizador una parte de las impurezas precipitarán en él.

d)

El rendimiento del sistema de combustión mejora al aprovechar mejor el calor.

8. ACCESORIOS PARA CONTROLAR EL RECALENTAMIENTO DEL VAPOR

GENERADORES DE VAPOR 8.1. Recalentadores: Son dispositivos destinados a elevar la temperatura del vapor por sobre la temperatura del vapor saturado (con partículas de agua), sin aumentar la presión. Dicho en fácil son intercambiadores de calor destinados a traspasar energía adicional al vapor por sobre la que posee en estado de saturación. Los calentadores que aprovechan la temperatura de los gases y humos que van a la chimenea se llaman de convección, y aquellos que están ubicados en las inmediaciones de la cámara de combustión expuestos a las llamas se denominan de radiación. Existe también otro tipo de calentadores que tiene su propio sistema de combustión, por lo cual no utilizan ni el calor de los gases, ni el calor de la cámara de combustión de la caldera. Disponen de quemadores regulables según la necesidad y los hay que tienen controles automáticos accionados por la temperatura. 8.2. Recalentadores de aire: Tiene por objeto mejorar la combustión, ya que al llegar al hogar aire caliente, no se desperdicia energía en calentarlo. Normalmente se utilizan como recuperadores de parte del calor de los gases que van a la chimenea, o por medio de radiadores y vapor instalados en la línea de succión de los inyectores de aire (ventiladores) para calentar el aire necesario para la combustión. 8.3. Trampas de vapor: Constan de una cámara de agua en la cual se condensa el vapor, el exceso de agua, debido al vapor condensado vuelve a la red de cañerías como rebalse, un juego de válvulas completa el sistema. Otro sistema de trampas consiste en que el vapor y las partículas de agua son centrifugadas, de acuerdo a su disposición precitan y descargan cuando se ha juntado cierta cantidad de agua que acciona la válvula de descarga que puede contar con flotador o sistema de dilatación, según el caso. POTENCIA DE UNA CALDERA. Ya sabemos que el tamaño de una caldera lo determina su superficie de calefacción, que es aquella parte que por un lado está en contacto con el agua y por el otro con el fuego y los gases calientes, medida por el lado de los humos y que se expresa en m2. Es normal cometer el error de designar la potencia de una caldera en caballos de fuerza UNA CALDERA NO TIENE FUERZA MOTRIZ, sino vapor, que puede ser utilizado por una máquina que genere fuerza motriz. El error viene dado porque existe una medida inglesa llamada Boiler Horse Power (BHP), que no tiene relación con el HP (Horse Power) o caballo de fuerza común, que fija una cierta equivalencia con la superficie de calefacción de las calderas. (BHP = 0.029 m2 de superficie de calefacción).

GENERADORES DE VAPOR Como actualmente el BHP no se considera una medida aceptable para calderas, dejaremos el tema hasta aquí, aunque en algunos textos todavía se le nombre. La potencia de una caldera está en relación a la cantidad de vapor que puede generar en una hora. Esto depende de cada tipo de caldera, de su superficie total de calefacción, pero debemos tener en cuenta que en relación a la potencia tiene también influencia su diseño, construcción, instalación, manejo y mantenimiento. Tiene incidencia en la producción de vapor la clase de combustible utilizado. Se usa también para medir la potencia de una caldera expresando el calor total transmitido por la superficie de calefacción en Kcal/Hora. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA: Se entiende por rendimiento al porcentaje de calor contenido en el combustible que se traspasa al vapor generado por la caldera, durante el proceso de combustión.

CALOR CONTENIDO EN EL VAPOR

RENDIMIENTO =

. CALOR CORRESPONDIENTE AL COMBUSTIBLE QUEMADO

EL RENDIMIENTO NORMAL DE UNA CALDERA ES DEL 70% POR LOS FACTORES SIGUIENTES: a) Combustión incompleta b) Gases calientes que van a chimenea c) Cenizas y escorias d) Radiación y otras causas Pérdidas

9.80% 14.00% 2.85% 3.35% 30.00%

Rendimiento caldera (diferencia)

70%

FORMAS DE OBTENER UN MEJOR RENDIMIENTO: 1)

Mejorando la combustión y sistema de quemar el combustible. Efecto visible: menos hollín en chimenea.

2)

Logrando que los gases que van a chimenea fluctúen entre 200° y 300°C, para no afectar el tiraje ni tener pérdidas exageradas por los gases calientes.

3)

Disminuyendo las pérdidas por radiación, esto se logra con un buen aislante térmico en caldera y tuberías conductoras de vapor y agua caliente.

GENERADORES DE VAPOR 4)

Utilizando economizadores – precalentadores de aire

5)

Manteniendo la caldera y conductos de humo siempre limpios

6)

Utilizando agua blanda para evitar exceso de incrustaciones. COEFICIENTE DE VAPORACION

ES EL VAPOR QUE SE OBTIENE DIVIDIENDO LA CANTIDAD DE KILOS DE VAPOR GENERADOS EN UNA HORA, POR EL PESO EN KILOS DEL COMBUSTIBLE CONSUMIENDO EN ESA MISMA HORA. Dicho de otra manera: combustible quemado.

Es la cantidad de kilos de vapor que genera cada kilo de

Este factor es importante para determinar la eficiencia de una planta generadora de vapor, ya que nos permite conocer la cantidad de combustible que consume, la forma de trabajo o rendimiento. No olvidar: Cuanto mayor sea el rendimiento de la caldera, mejor será la calidad del combustible y el sistema de combustión, tanto mayor será la cantidad de vapor generado por el combustible, es decir, mayor será su coeficiente de vaporización. ELECCIÓN DE CALDERAS: Si necesitamos instalar una caldera y se sabe que el consumo es irregular, o sea, que hay momentos gran demanda alternados con otros de bajo o ningún consumo, por lo tanto las variaciones son violentas, la caldera más recomendable será la de gran volumen de agua, que por su diseño tienen grandes cámaras de agua y vapor, lo que asegura una buena reserva para una demanda brusca, y por otro lado la capacidad de la cámara de vapor es suficiente para almacenar el exceso, si la demanda se corta bruscamente, mientras interviene el fogonero en la disminución del tiraje y combustible. Las cámaras grandes sirven de amortiguadores. En caso de demanda pareja durante toda la jornada de trabajo, o con variaciones pequeñas, es recomendable utilizar calderas igneotubulares, ya que tiene buen rendimiento y buena producción de vapor, las cámaras de agua y vapor son pequeñas, lo que exige atención permanente de fogoneros. Este tipo de calderas se les denomina compactas o calderas empaquetadas, porque son sin mampostería, sólo aislación, por lo que son fáciles de instalar y fáciles de transportar sin gran costo. Si se necesita una caldera de alta presión, lo recomendable son las acuotubulares, que se denominan calderas inexplosivas, son capaces de producir grandes cantidades de va por con un rendimiento de hasta 85%.

GENERADORES DE VAPOR Otra consideración es la calidad de vapor que se necesita, según el tipo de uso a que esté destinado, ya que hay grandes diferencias entre vapor seco y vapor húmedo, e incluso hay industrias en las cuales el vapor saturado sería dañino o perjudicial. Si se requiere vapor seco, la salida del vapor debe estar lo más alejada del nivel de agua, como el caso de las calderas con domo. En el caso de las verticales, los gases antes de salir a la chimenea recalientan la cámara de vapor, pero por otro lado, a cualquier caldera se le puede adicionar un recalentador de vapor para conseguir la evaporación total de las partículas en suspensiónPor el contrario, cuando el vapor producido es demasiado seco y el proceso requiere de vapor húmedo, se pueden instalar saturadores. Son especiales cuando de una caldera quiere obtenerse vapor saturado y vapor recalentado. Factores a tener en cuenta al elegir una caldera: 1.- Combustible de que se disponga 2.- Capacidad de vapor y calidad requerida 3.- Tipo de servicio que debe prestar y presión de trabajo 4.- Duración estimada de la instalación 5.- Costo de fabricación e instalación 6.- Transmisión eficiente del calor de combustión 7.- Espacio disponible y exigencias futuras. Condiciones mínimas a exigir: a) Sencillez, b) Fácil acceso a todas sus partes, c) Diseño adecuado, d) Compacta, e)Facilidad de mantenimiento y reparaciones.

COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN Combustible se llama aquellas sustancias que al combinarse con el oxígeno de la atmósfera generan calor. Combustión es un proceso en el cual los combustibles reaccionan con el oxígeno desarrollando calor, en condiciones determinadas. Para que haya combustión es necesario que exista un elemento combustible y el oxígeno que es el comburente, más un elemento iniciador de la reacción en cadena. Existen muchos tipos de combustibles, pero no todos tienen aplicación práctica en procesos industriales de combustión. En la naturaleza se encuentran en estado sólido (carbón, madera), líquido (petróleo y sus derivados) y gaseoso (gas natural).

GENERADORES DE VAPOR Los combustibles al entrar en combustión producen energía, que se llama poder calórico o calorífico, y se mide en calorías.

Todos los combustibles están constituidos por © Carbono, (H2) hidrógeno (N2) nitrógeno, (O2) oxígeno humedad e impurezas. El poder calórico o calorífico será tanto mayor, cuanto mayor sea la proporción que contengan de carbono e hidrógeno, o de hidrocarburos libres. Existen combustibles más difíciles de conseguir que también se utilizan en algunos procesos industriales como: viruta, aserrín, paja de distintos tipos, etc., pero para un aprovechamiento rentable requieren de instalaciones especiales. Para que la combustión tenga lugar es necesaria la presencia de 4 elementos, sin los cuales no se producirá, (en esto se basa la prevención de riesgos de incendio y explosión).

COMBUSTIBLE

COMBURENTE

REACCIÓN DE CADENA

TEMPERATURA

GENERADORES DE VAPOR TODO FUEGO, INCENDIO, ENCENDER UN FÓSFORO ES UNA COMBUSTIÓN Existiendo los tres elementos y la reacción en cadena habrá combustión, pero, si el combustible es de mala calidad o inadecuado, o si el aire es insuficiente o la temperatura baja, podrá haber combustión, pero mala o mejor dicho de mala calidad. REQUISITOS PARA LA COMBUSTIÓN: 1.- Toda instalación fue hecha para determinado combustible, ese es el que debe usar y no otro, a no ser que se modifique el sistema. 2.- Todo combustible requiere de una cantidad determinada de aire (O2), por lo tanto el sistema debe procurarlo en cantidad adecuada. Si aumenta la cantidad de combustible, también deberá aumentar proporcionalmente la cantidad de aire. 3.- El aire es proporcionado básicamente por la chimenea, que está basada en la diferencia de temperatura entre los gases calientes y el aire exterior o del medio ambiente. El tiraje aumenta en relación a la altura de la chimenea y el calor d los gases. A mayor diferencia de temperatura, mayor será la velocidad y fuerza de la corriente de aire. Los gases que salen de la chimenea deben tener una temperatura igual o mayor de 180°C, a fin de mantener la velocidad necesaria para mantener la aspiración de aire nuevo, lo que recibe el nombre de TIRAJE o tiro de la chimenea. Esto se conoce como tiraje natural. La dimensión de una chimenea se calcula en base al volumen de gases que deben pasar por ella, que pende también de la cantidad y calidad del combustible a quemar. 4.- Cuando es necesario aumentar el tiraje natural, es necesario crear un tiraje artificial, lo que se consigue mediante ventiladores, vapor u otro medio. El tiraje artificial permite regular a voluntad la cantidad de aire que llega al fogón. El tiraje artificial se utiliza para algunos combustibles sólidos y también cuando la instalación está sometida a oscilaciones de carga que no pueden ser compensadas con tiraje natural, o en calderas de 3 o más pasos a fin de conseguir una velocidad de movimiento de gases que el tiraje natural no puede proveer. Hablaremos un poco del aire. Es una mezcla de oxígeno y nitrógeno mezclados con otros gases en pequeña cantidad, por lo cual se dice que está compuesto por un 21% de oxígeno y un 79% de nitrógeno. Ya sabemos que sólo el oxígeno participa en la combustión y el nitrógeno se pierde en calidad de gas caliente por la chimenea arrastrando una cantidad de calor al medio ambiente exterior. El aire se mezcla directamente con los combustibles líquidos o por debajo de la parrilla con los combustibles sólidos. Este aire se denomina aire primario. Pero para una adecuada combustión se necesita aire primario y aire secundario, dependiendo el rendimiento de que ambos entren a la proporción adecuada.

GENERADORES DE VAPOR Para combustibles sólidos que desprenden materias volátiles, se requiere de aire adicional que se introduce sobre el lecho combustible mediante una abertura o roseta en la puerta del hogar o simplemente dejando entreabierta dicha puerta. Este aire se denomina aire secundario. El aire secundario para la combustión de líquidos entra por abertura o puerta regulable bajo el quemador. Para obtener una buena combustión debe existir una mezcla homogénea entre el aire y el combustible, por lo cual un combustible nunca puede quemarse bien con aire teórico, el exceso de aire dependerá no sólo del tipo de combustible, sino también el tipo de hogar. Debe quedar claro que el exceso de aire no interviene en la combustión, pero, es necesario para asegurar el oxígeno que necesita el combustible, porque la mezcla aire combustible no siempre es la correcta. 5.- Para que una sustancia arda, es necesario que alcance la temperatura adecuada en el hogar de la caldera, esta es la temperatura de encendido o ignición. Recuerde que ningún combustible arde o se quema antes de haberse convertido en gas, lo que significa que antes de llegar a la ignición visible, hay un lapso de tiempo en que se produce una “combustión lenta” hasta que se llega a la temperatura de ignición. Para alcanzar altas temperaturas en el hogar, se revisten con materiales refractarios, que además de proteger zonas no refrigeras, soportan altas temperaturas y absorben calor irradiado ayudando a mantener temperaturas elevadas por cierto período de tiempo. 6.- Todo fogonero o persona que tiene a cargo el control de la combustión debe asegurarse que la instalación está en buenas condiciones de uso y trabajo. Todas las partes del fogón (puertas, aberturas, cenicero, quemador, estructura de ladrillos refractarios, albañilerías, templadores, registro o regulador de tiraje, etc) deben estar en buenas condiciones, ya que la combustión y el aire necesario debe controlarlo el operador y dosificado de acuerdo a la necesidad. La instalación debe contar con instrumentos que indiquen la proporción de gases que salen al exterior y su temperatura, con lo cual el operador puede regular o modificar el proceso de combustión de acuerdo a lo indicado por los instrumentos accesorios. Suele ser normal que no se cuenten con estos instrumentos, por lo cual el operador debe recurrir a su experiencia y “ojo” para quemar correctamente los combustibles. Como vemos en el esquena anterior, el Calcio queda retenido por la zeolita, que desprende sodio que va a la caldera sin producir efectos de incrustaciones. Los ablandadores llega a un momento en que se saturan de calcio y magnesio, perdiendo actividad por lo que se hace necesario regenerarlo mediante una solución saturada de cloruro de sodio (sal común). En la práctica estas reacciones se efectúan en recipientes que contienen, uno el ablandador y otro la solución saturada de cloruro de sodio, cada uno con su aparataje correspondiente de válvulas y accesorios.

GENERADORES DE VAPOR Esquema operativo:

Como apreciamos en la figura, el agua entra al sistema por la cañería (1), pasa a través de trompa de succión, que sólo actúa cuando la válvula (H) está abierta, pero en trabajo normal está cerrada y solo es paso de agua, luego pasa al filtro de malla y al medidor de volumen de agua. Deben estar abiertas las válvulas (A), (B), (C), (D) y cerradas las válvulas (F), (G), (H), para que el agua dura ingrese al cilindro atraviese la capa de gravilla, que actúa como segundo filtro, continua a la zona de zeolita dejando allí el calcio y magnesio y arrastrando el sodio contenido en ella, sale finalmente a través de (C) y (D) por la cañería para el consumo de la caldera o al desgasificador. ¿En qué momento debe estar abierta la válvula (H)? Resp:

Una vez que la masa ablandadora se saturó, es necesario regenerarla, lo que significa que durante ese lapso no habrá agua blanda para el proceso, por lo cual se recomienda tener una reserva que satisfaga la demanda durante el tiempo que dura el proceso. La regeneración se efectúa un retrolavado de la matriz, para ello se cierra la llave (D) y (B), abriendo (F) y (G), el agua entrará al aparato siguiendo la ruta (A) (F) (C), efectuando una limpieza previa de las sustancias que hayan escapado de los filtros, esto debe durar hasta que el agua que sale por (G) este totalmente limpia y transparente en muestra tomada en vaso de precipitado. Hecho esto se procede a abrir la válvula (H), que comunica el estanque con solución de salmuera siempre que mantenga en el fondo 1/3 del total, de sal

GENERADORES DE VAPOR sólida. La trompa de succión traerá agua por la cañería (I). En la mayoría de los casos basta con el paso de la salmuera por la zeolita para completar la regeneración, en otros debe mantenerse un tiempo de contacto. Una vez completado el proceso se hace pasar agua hasta que una muestra tomada en (G) indique una dureza no superior a 35 ppm, en cuyo caso se procedo a colocar las válvulas en condiciones normales de trabajo. a) Métodos eléctricos: Esta metodología consiste en hacer pasar agua dura por una celda electrolita de bajo voltaje provista de sus electrodos (+ y -) separados pro dos diafragma de asbesto.

En estas condiciones se produce una electrólitis del agua emigrando al electrodo negativo todos los iones metálicos (calcio, magnesio y otros) y al electrodo positivo todos los iones no metálicos (cloruros, sulfatos, carbonatos, etc.), dejando en el centro el agua pura. Este sistema no se utiliza industrialmente por el alto costo de la energía eléctrica y porque también se pierde agua de desecho. d) Métodos electrónicos: Consiste en hacer pasar el agua dura a través de un tubo que produce descargas que logran modificar conductualmente a nivel intramolecular, que impide que las sales de calcio y magnesio una ves dentro, en la caldera se depositan en forma de costra dura, sólo lo hacen como lodos, que son expulsados en las purgas. Es de bajo costo, pero no debidamente comprobados. Las pequeñas cantidades de aire y otros gases que el agua trae disueltos, se desprenden en el interior de la caldera por efecto del calentamiento. El agua contiene un 20% de oxígeno que tiene la capacidad de oxidar las planchas metálicas produciendo corrosiones.

GENERADORES DE VAPOR El resto de los gases (CO2 y el N) son despreciables, por lo tanto debemos preocuparnos del oxígeno, que debe ser sustraído antes de que ingrese a la caldera. Esto se efectúa sometiendo al agua a acalentamiento previo en aparatos especiales llamados desgasificadores, pero, como de todas maneras quedarán pequeñas cantidades de oxígeno disuelto; se le neutraliza con un reductor llamado hidracina o con sulfato de sodio. ACCIONES COMPLEMENTARIAS: a) Purgas: Consiste en evacuar en forma brusca cierta cantidad de agua de la caldera en trabajo, de tal forma que salgan los lodos antes de que se transformen en contra adherida. Las purgas deben ser sistemáticas y programadas de acuerdo a la calidad del agua y a las exigencias de vapor. b) Recuperación de condensado: Es muy proveniente, ya que se trata de agua blanda y que aún tiene valor térmico residual, lo que economizará combustible. El procedimiento ya fue visto con anterioridad. Es conveniente en el caso de máquinas termoeléctricas, preocuparse que no traiga lubricantes en suspensión, ya que producen en el interior de la caldera problema de espuma. c) Adición de reactivos: El agua tratada en ablandadores siempre queda con alguna dureza residual, que es necesario inhibir, lo más acertado es agregar al agua fosfato de sodio dosificado, en vez de desincrustantes. INFLUENCIA DE LA CALIDAD DEL AGUA: A) Ya sabemos que rendimiento es la relación entre el calor aportado por el combustible al quemarse y que el calor utilizado como vapor. Este cuociente es afectado cuando se trata de aguas duras, ya que al depositarse en las paredes metálicas de la superficie de calefacción, crea una lámina que tiene propiedades de aislante térmico, de modo que el calor del combustible no llega en forma expedita al agua y se pierda por la chimenea. B) La lámina de incrustación genera además un riesgo para la seguridad, ya que las planchas de la superficie de calefacción al encontrarse aisladas del agua, quedan libremente expuestas al calor y temperatura del hogar, recalentándose en exceso. Sabido es que el acero laminado al rojo cereza pierde 5/6 de su resistencia a la tracción, lo que provoca deformaciones, roturas y riesgo de explosión. C) Las corrosiones que son el desgaste de la plancha por diversos agentes, en especial el oxígeno, producen una sensible pérdida de resistencia en la plancha, que pueden transformarse en fisuras o roturas que comprometen la seguridad de la caldera. También produce corrosión la dureza no carbónica del agua, como por ejemplo los sulfatos, cloruros de calcio y magnesio, que gracias a la concentración que sufren y al calentamiento se

GENERADORES DE VAPOR hidrolizan dando lugar a la formación de hidróxidos de calcio, magnesio y a los ácidos respectivos clorhídrico y sulfúrico, que precipitan y son de reconocida capacidad corrosiva. Todo lo ya dicha justificada los tratamientos del agua descritos, pero, de nada servirán si el operador no los atiende, mantiene y asegura concientemente. PREVENCIÓN DE ACCIDENTES EN CALDERAS: Accidente es todo suceso imprevisto e involuntario que altera el normal desenvolvimiento de una actividad, provocando pérdidas económicas, con o sin lesiones y/o daños materiales. Las causas de los accidentes provienen de condiciones inseguras, que son responsabilidad de la gestión y acciones inseguras que son responsabilidad de cada individuo. Condiciones inseguras: Se llama así a las condiciones de riesgo en el ambiente labora, en el caso de caldera dependerán de: a) b) c) d) e)

La calidad de diseño y construcción Del estado general de la caldera Del estado de los accesorios De la eficiencia y suficiencia de los accesorios Del mantenimiento y condiciones de funcionamiento.

Acciones inseguras: Son inherentes al ser humano, en este caso del operador y dependerán: a) b) c) d)

de la calificación y conocimientos de la conciencia sobre la responsabilidad de su puesto de condiciones personales como: negligencia, desinterés, falta de seriedad, falta de competencia de su capacidad para interpretar instrucciones orales y/o escritas.

Cumplidos los requisitos por el operador, podemos recorrer los factores que cubren las diferentes etapas por las que pasa el operador en su trabajo con la caldera: 1. Aunque parezca tonto, el riesgo operacional empieza a generarse en la planificación, ya que tendrán importancia vital los cálculos de espesores de planchas, soldadura, remachadura, accesorios, calidad de los materiales a utilizar, instalación y demás detalles de cada caso particular. La planificación es la base de la construcción e instalación de la caldera. 2. En la etapa de construcción, es fundamental mantener las especificaciones, usar los materiales indicados, trabajar con especialistas y mano de obra calificada. Es el fabricante quien debe asegurar o acreditar su calidad, mediante certificado, que será la concreción de

GENERADORES DE VAPOR todas las inspecciones, controles y pruebas totales o parciales que sean necesarios para probar totales o parciales que sean necesarios para probar que está preparada para soportar la máxima presión de trabajo. 3. En la instalación e inspección nos debemos regir por El Reglamento de Calderas y Generadores de Vapor aprobado por Decreto Supremo N°48 de 24 de Febrero de 1984, que entró en vigor el 12 de mayor del mismo año. Este reglamento en su artículo primero establece las condiciones generales de construcción, instalación, mantención, operación y seguridad que deberán reunir todas las calderas que generen fluidos a temperaturas y presiones superiores a las atmosféricas, sean móviles o estacionarias. Lo anterior no se aplicará a: Calderas de locomotoras, calderas de embarcaciones, cualquier tipo de caldera cuya presión de trabajo no exceda de 0.5 Kg/cm2. Como resumen podemos decir que la planificación de estas instalaciones deben cumplir los requisitos establecidos en el reglamento, más los que técnicamente sean aconsejables. Corresponde a los Servicios de Salud fiscalizar y controlar el cumplimiento de las disposiciones del Reglamento, de acuerdo a las instrucciones que imparta el Ministerio de Salud, que normalmente las al servicio o departamento de Salud del Ambiente. La inspección oficial comienza cuando la empresa por medio de su representante legar presenta la solicitud de instalación de la caldera, acompañada de las especificaciones y planos. Una vez aprobada, se procede a la instalación y los técnicos inspectores van a la industria para someter la caldera a inspecciones internas y externas, y a una prueba hidráulica con presión igual a la de trabajo aumentada en 50% dado que el coeficiente de seguridad es 1,5. Si los resultados lo ameritan, se enciende la caldera y se somete la válvula de seguridad a pruebas de regulación y capacidad de evacuación de vapor. Una inspección final de funcionamiento y combustión, y el examen del operador, determinan la operabilidad y la autorización oficial mediante certificado y anotación en el Libro de Servicio de la Caldera. 4. En la operación puesta en servicio, es de vital importancia la calidad del operador y su preparación o calificación debe estar en relación con el equipos que va a manejar. Cuando el operador cumple las disposiciones reglamentarias, son sometidas a examen por el Servicio de Salud, con la finalidad de verificar los conocimientos, preparación, experiencia y capacidad para el cargo. Si aprueba se les otorga Certificado que les autoriza para desempeñarse como Operador de Calderas (fogonero). Sin el certificado no pueden desempeñarse como operador de calderas de ninguna clase. 5. Para la mantención, que debe planificarse y programarse, se debe cubrir una revisión periódica de la caldera y sus accesorios, llevando libro de servicio o novedades en el cual se

GENERADORES DE VAPOR anotan todos los trabajos, inspecciones y reparaciones que se efectúen. Este libro estará a disposición de la autoridad competente. El mantenimiento es básico para la prevención de riesgos e influye en la duración y eficiencia del equipo El tratamiento de aguas duras queda involucrado dentro del mantenimiento. El usuario de la caldera, o sea el industrial, la empresa, es responsable de la atención del equipo y tiene la obligación de dar facilidades de inspección al personal del Servicio de Salud, pero también tiene el derecho de requerirlas si no se han efectuado. Como corolario en este acápite digamos que, el Operador es el hombre clave en la vida de la caldera, de sus conocimientos y condiciones personales depende todo, incluso la probabilidad de accidente. 6. Para el funcionamiento y manejo de la caldera, es básico que esté bien instalada, que tenga suficiente luz, buena ventilación y espacio suficiente para que se pueda trabajar sin dificultad y tener accesibilidad a todas sus partes. La caldera debe estar ubicada lo más cerca posible de los puntos de consumo de vapor para evitar pérdidas de calor por condensación en las cañerías. En el caso de máquinas, las cañerías deben tener inclinación hacia ellas y no hacia la caldera. Ya dijimos que una vez realizadas las pruebas se procede a ponerla en marcha. Para ello se debe proceder de la siguiente manera: 1) Revisión general de toda la instalación para comprobar que no hay anormalidades que puedan significar riesgo o mal funcionamiento. 2) Control de los accesorios de alimentación de agua de servicio y de reserva. Comprobar el tubo de nivel y verificar que marca lo que corresponde en cuento a nivel de agua. 3)

Revisión el fogón y preparación para iniciar la combustión.

4) Abrir el grifo superior, para permitir la salida del aire acumulado en el interior de la caldera 5) Llenar la caldera con agua hasta un nivel de 2 a 3 centímetros inferior al de trabajo, por la dilatación del agua al calentarse. Posteriormente se ajustará al nivel correspondiente. 6)

Encender el fuego y aumentarlo lentamente para lograr una buena combustión

7)

Cerrar el grifo de nivel una vez que empieza a salir vapor

8) Verificar el buen funcionamiento de los accesorios de seguridad, para que en caso de emergencia cumplan su objetivo.

GENERADORES DE VAPOR Recordar que durante el funcionamiento de la caldera debe cuidarse la alimentación regular con agua y combustible, ya que no puede permitirse que el nivel de agua demasiado o suba más de lo normal. ¿Por qué? Resp:

Porque en el primer caso se exigirá una alimentación de agua muy prolongadas, lo que provoca enfriamiento de la caldera y hace bajar la presión, y en el segundo caso, el vapor producirlo es demasiado húmedo. Tampoco hay que olvidar que exceso de carga en el hogar provoca pérdidas de combustibles y obstrucción de los conductos de humo, además que pueden producirse explosiones en las zonas de combustión y conductos de humo. TAMPOCO SE DEBE OLVIDAR QUE LA EFICIENCIA DEL HOGAR DEPENDE EXCLUSIVAMENTE DE LA BUENA DOSIFICACIÓN DE AIRE. MANTENCIÓN DE LA PRESIÓN: Cuando el consumo de vapor es constante, la presión no tendría por que variar, salvo descuidos del operador en la atención de la caldera. Tratándose de consumo variable, si aumenta y el operador nota un descenso considerable de la presión, deberá aumentar la cantidad de combustible, sin olvidar que debe aumentar la cantidad de aire, abriendo el registro. Esto significa que cuando no se dispone de mayor tiraje no se puede seguir forzando el fuego, sin correr el riesgo de dejar de tener una buena combustión, mayor consumo de combustible y mayor generación de humos negros. PURGA DE LA CALDERA: Como mínimo una vez al día deben purgarse las calderas, dependiendo la frecuencia de la calidad del agua de alimentación. La medida de la purga se controla por el descenso del agua en tubo nivel, normalmente 1 pulgada por purga. La purga debe hacerse con la caldera en funcionamiento, se abre la llave de purga o descarga totalmente a fin de no retener lodos. Se recomienda hacerla a primera hora de la mañana, ya que por la noche, durante el reposo han precipitado los barros. En caso de operar a tres turnos, se recomienda purgar en la tarde. DETENCIÓN DE LAS CALDERAS Al proceder a parar una caldera siempre se debe cuidar de inyectar agua para dejarla en un nivel normal.

GENERADORES DE VAPOR Este cuidado reviste especial importancia en calderas revestidas de mampostería, para evitar que se seque durante la detención por el calor acumulado por los ladrillos. También puede suceder que si la caldera ha quedado con un poco de presión, esta aumente durante la detención a la vez que el nivel ha subido, esto se debe a que al inyectar agua antes de pararla, la caldera queda con agua relativamente fría, la mampostería entrega calor y el agua se calienta, dilata y aumenta su volumen y genera un poco más de presión. EMBANCAMIENTO DEL FUEGO: Así se llama al hecho de que fuego se apague. Si esto sucede hay que dejar que siga pasando la cantidad de aire suficiente para evitar la acumulación de gases combustibles, que generará explosiones al encenderse, para ello, se debe abrir el registro y puerta del hogar. LIMPIEZA DE CALDERAS: Un síntoma que la caldera necesita limpieza es cuando, al abrir el grifo de prueba ubicado al nivel normal, bota agua a intervalos como si escupiera. Este síntoma indica que la caldera tiene espuma y lodos en suspensión. La limpieza se hace por las puertas de hombre. LIMPIEZA DE DUCTOS DE HUMO: Esta labor es muy importante, ya que el principal componente del hollín o negro de humo, es el carbono, aunque su composición varíe según el tipo de combustible empleado, por lo que lo normal es que ácidos y alquitranes mezclados con el negro de humo son los componentes normales del hollín. El hollín debido a su característica esponjosa, es 5 veces más aislante que el asbesto, por lo cual el rendimiento de una caldera y su capacidad de vaporización baja ante la acumulación de hollín. Si no se remueve constantemente, el carbono contenido en el hollín se quema y la masa de hollín tiende a formar una pasta que se pega fuertemente a las paredes de las superficies metálicas. La limpieza del hollín se realiza con chorros de vapor en forma periódica o con escobillones de acero en forma diaria. CONSERVACIÓN DE LAS CALDERAS EN RECESO: La mejor forma de impedir las corrosiones por el aire húmedo, durante periodos de detención prolongados, es llenarlas de agua, vigilando que siempre permanezca llena. Esta agua debe ser agua básica, lo que se asegura colocando al agua potable cal o potasa en la proporción adecuada. Si se le quiere dejar vacía, debe revertirse interiormente con barnices especiales que el comercio expende. Al vaciar una caldera hay que evitar enfriamiento bruscos y recalentamiento del metal, por lo que: 1)

Apagar el fuego

GENERADORES DE VAPOR 2) Cerrar la puerta del hogar, cenicero y registro para impedir la entrada de aire frío 3) Esperar que la mampostería se enfríe, para evitar recalentamientos de los metales en su parte superior y prevenir filtraciones 4) Vaciar la caldera enfriando paulatinamente el agua, para lo cual se introduce agua fría mientras la lleve de purga se mantiene abierta. Esta operación tiene por objeto impedir endurecimiento de los depósitos de sales, que tienden a formarse sobre los metales calientes.

EMERGENCIAS EN CALDERAS: A) Súbito aumento de vapor: Esto sucede por disminución del consumo o por descuido del operador y hay exceso de combustible en el quemador. Normalmente esto se puede remediar reduciendo el tiraje mediante el cierre parcial del registro y abriendo un poco la puerta del hogar. No se puede abrir mucho por los enfriamientos bruscos, pero si el nivel lo permite, puede inyectarse agua fría. En caso de quemadores de petróleo, la solución es fácil, se la apaga y se sigue el mismo procedimiento anterior.

B) Difícil producción de vapor: Si la caldera tiene dificultad para producir vapor en forma permanente, puede deberse a construcción defectuosa, o mala disposición de la caldera o el hogar, el emparrillado o el quemador puede ser demasiado pequeño, los conductos de humo demasiado largos, estrechos o tener codos que reducen la circulación de aire. La solución es cara, hay que rediseñar y reconstruir las partes defectuosas. Si la dificultad es accidental o transitoria, puede deberse a: a) b) c)

Fuego mal encendido Emparrillado obstruido o quemador sucio Conductos de humo obstruidos por falta de limpieza

C) EXCESIVO DESCENSO DEL NIVEL DE AGUA: Esta es la falla más grave que se puede presentar. Si el nivel no está más allá del límite permitido y visible, basta con alimentar rápidamente de acuerdo a los procedimientos del caso, pero, si el nivel ha bajado demasiado y no es visible en el tubo de nivel, DEBE CONSIDERARSE CALDERA SECA, y proceder a quitar el fuego, cierra el consumo de vapor y enfriarla lentamente. Antes de proceder a encenderla de nuevo, hay que inspeccionarla completa y detenidamente.

GENERADORES DE VAPOR Este problema puede ser muy serio en calderas que tiene reducido volumen de agua, como es el caso de las acuotubulares, que presentan además una gran superficie de calefacción, por lo cual el operador debe estar siempre atento a la normal y continua alimentación de agua. D) EXPLOSIONES: Este es él más grave de los riegos que presenta una caldera, ya que ocasionan varios muertos y pérdidas considerables de todo tipo, especialmente por la salida de una gran masa de agua y vapor, pero además está el peligro de los proyectiles, que son los fragmentos metálicos y de mampostería que son lanzados a grandes distancias. Este tipo de emergencias no es un caso de fuerza mayor, tiene siempre causas claras y específicas, que normalmente son: 1.- CONSTRUCCIÓN DEFECTUOSA 2.- FALLA DE LOS ACCESORIOS DE SEGURIDAD 3.- NEGLIGENCIA, DESCUIDO O FALTA DE CAPACITACION DEL OPERADOR 4.- MEZCLAS EXPLOSIVAS EN LOS CONDUCTOS DE HUMO 5.- FALTA DE AGUA EN LA CALDERA (la más frecuente) 6.- INCRUSTACIONES MASIVAS O DESPRENDIMIENTO DE PLANCHINES DE INCTUSTACIONES Como podemos apreciar todas las causas son perfectamente previsibles y evitables, son responsabilidad de condiciones inseguras o acciones inseguras, tal cual lo vimos en su oportunidad. La nueva Ordenanza General de Construcciones contempla un reglamento especial para calderas de calefacción y agua caliente que contemplará sus disposiciones. CONTROLES AUTOMÁTICOS EN CALDERAS: 1.- Control de Programación: Gobierna las secuencias de operación del quemador, una vez que se coloca el interruptor en automático. 2.- Control de Presión (presostato): Enciende o apaga el quemador por rangos de presión. 3.- Control de Temperatura (termostato): Enciende o apaga el quemador por rangos de temperatura. 4.- Control de Nivel de Agua: Esta incorporado a toda caldera generadora de vapor de funcionamiento automático. Combina el nivel mínimo de agua con el funcionamiento de la bomba de alimentación, el nivel máximo con el cierre de la bomba y el apagado del quemador si falla el control de nivel mínimo o bajo nivel. 5.- Vapostat: Es un interruptor de mercurio accionado por presión de aire, que anula la operación del quemador si no hay suministro de aire.

GENERADORES DE VAPOR 6.- Scanner: Instrumento destinado a cortar el paso de combustible si la llama se apaga, detiene el trabajo del quemador. 7.- Transformador de ignición: Es un transformador de alto voltaje que suministra la chispa necesaria para la ignición en caso de calderas con combustible líquido o gaseoso. 8.- Partidores magnéticos: Son interruptores operados magnéticamente destinados a controlar el ventilador, la bomba de alimentación, la bomba de combustible y compresor. 9.- Control de encendido con celda fotoeléctrica: Destinado a asegurar el encendido del combustible mezclado con el comburente. Consta de una celda fotoeléctrica, que es un tubo electrónico que contiene sensores sensibles a la luminosidad, por lo que entregan energía en proporción a la luminosidad de la llama, que es transmitida a la unidad electrónica. La Unidad Electrónica recibe la señal de la celda fotoeléctrica y la amplifica para que operen los relés. El relé de llama cuenta con varios contactos y es energizado por la unidad electrónica. El relé de carga: tiene por finalidad controlar la válvula de combustible, los motores de los ventiladores y el quemador mismo. Es inicialmente energizado por una señal remota y posteriormente por el relé de llama. El interruptor térmico de seguridad: Es un mecanismo alternativo, se basa en la dilatación de una placa bimetal. Funciona en el circuito en la operación de partida y su funcionamiento depende del correcto encendido, provee 30 segundos de tiempo para la partida y no es ajustable. NORMAS PARA MANTENIMIENTO DE LOS CONTROLES AUTOMÁTICOS: 1.- CONTROL DE PRESION CON AJUSTE DIFERENCIAL: Calibración de ajustes: Colocar el ajuste diferencial en el centro de su escala, y el ajuste principal en el límite inferior de su escala. Sin presión en la caldera haga presión en el extremo izquierdo del accionador y llévelo a la mitad del recorrido entre el topo superior e inferior. En esta condición, no debería actuar el interruptor. Siga aumentado la presión sobre el punto de prueba. El accionador subirá hasta su límite de ajuste superior, arrastrando el diferencial y accionando el interruptor. Interrumpa la presión y el accionador tratará de alcanzar su regulación normal. Obsérvese que solo después de haber pasado su centro de recorrido, el interruptor se repone a condición de partida.

GENERADORES DE VAPOR Siempre se debe mantener limpios de sedimentos los accesorios que unen la caldera con el control. Siempre mantener limpias, secas y en buenas condiciones las partes del control.

REGLAMENTACIÓN SOBRE CALDERAS

La reglamentación vigente en Chile está contenida en el Decreto N°48 de 12 de Mayo de 1984 del Ministerio de Salud Pública que fija en reglamento de Calderas y Generadores de Vapor, y el Decreto N°144 de 2 de Mayo de 1961, que establece las disposiciones sobre Contaminación Atmosférica. Está establecido que corresponde al Servicio Nacional de Salud la autoridad técnica y administrativa en los referente a seguridad que deben reunir las instalaciones generadores de vapor. Es el propio Servicio Nacional de Salud quien debe empadronar en el Registro que lleva para el efecto, todas las calderas, e igualmente se debe llevar un Libro del Servicio por cada caldera, y tener una placa de características. El artículo N°43 del Reglamento establece que el personal de fogoneros (Operadores) debe acreditar su idoneidad para el manejo de calderas, mediante, certificado de competencia, que es otorgado y/o visado por el respectivo Servicio de Salud. Determina las condiciones generales de ubicación e instalación de las calderas, de la alimentación de agua, de los accesorios y elementos de seguridad. Fija las inspecciones y pruebas de las condiciones de seguridad de las calderas y las ocasiones en que se efectuarán. Las inspecciones son: 1) INSPECCION EXTERNA: Se efectuará 1 vez al año como mínimo, con la caldera encendida. 2) INSPECCION INTERNA: Se efectuará cada 4 años como mínimo. Exige la paralización previa y su preparación (enfriamiento, limpieza de incrustaciones, hollín, etc) Esta inspección tiene por objeto constatar el estado de planchas en su interior, se comprueba corrosiones o picaduras, incrustaciones, deformaciones, etc.

GENERADORES DE VAPOR 3) PRUEBA HIDRÁULICA: Consiste en llenar totalmente de agua la caldera y levantar presión lentamente hasta subir a 1,5 veces la presión de trabajo, o lo que es lo mismo un 50% por sobre la presión de trabajo. Para efectuar la prueba se debe preparar la caldera aislándola de todo consumo de vapor y de agua, mediante flanches ciegos o tapa gorros, se debe limpiar parrillas o quemadores, conductos de humo y se retirará la válvula de seguridad reemplazándola por un tapón. La presión debe mantenerse por lo menos 15 minutos, lapso en el que se revisará la caldera para constatar que no hay filtraciones, ni formación de gotas de agua de diámetro superior a 1 minuto. No se aceptarán fugas en las soldaduras eléctricas. Concluida, la presión se debe bajar en forma lenta y uniforme. 4) PRUEBA DE VAPOR: Se realiza después de la prueba hidráulica, tiene por objeto la regulación de la válvula de seguridad. Se realizará con la caldera en funcionamiento a una presión que no exceda el 6% sobre la presión de trabajo autorizada de la caldera. 5) PRUEBA DE ACUMULACIÓN: Esta prueba se realiza en las instalaciones nuevas, consiste en verificar si la válvula de seguridad es capaz de eliminar la totalidad del vapor producido por la caldera a máxima capacidad de trabajo, con la válvula de salida o consumo de vapor cerrada. El reglamento establece que los generadores de vapor deben estar permanentemente al cuidado bajo la responsabilidad de un operador, que no debe abandonar en recinto o la de caldera ni al terminar el turno, debe esperar en ella el relevo. Las sanciones por infracciones al Reglamento van de multas a clausura de la caldera. El decreto N°144 relativo a contaminación, establece que todo equipo de combustión debe estar aprobado por el Servicio Nacional de Salud, están incluidas todas las calderas industriales, las de calefacción y agua caliente y los incineradores. Establece además la prohibición de lanzar hollín y cenizas volantes a la atmosférica desde estos equipos y que deben ser manejados por personal con Certificado de Competencia. 2.- CONTROL DE NIVEL POR FLOTADOR: Verificar la condición del flotador, mantener siempre limpios de sedimentación los accesorios que unen la caldera con el control y verificar la condición eléctrica del interruptor. 3.- CONTROL DE NIVEL ACCIONADO POR ELECTRODOS:

GENERADORES DE VAPOR Mantener siempre limpios los electrodos y verificar el buen estado de sus soportes, que no existan lozas quebradas o trizadas. Comprobar los largos de los electrodos y su correcta ubicación de acuerdo a los catálogos. Revisar la condición eléctrica del equipo. 4.- INTERRUPTORES DE TEMPERATURA: La prueba recomendada es parecida a la descrita para el control de presión: buscar un punto donde hacer presión y aplicarla suavemente hasta que el interruptor opera y verificar su acción y luego reposición. 5.- CONTROLES DE ENCENDIDO: Sean del tipo que sean (celda fotoeléctrica o por elemento térmico) hay que revidar y mantener su condición eléctrica. Esto significa que en el caso de control por elemento térmico, hay que mantener limpio el bimetal para asegurar su movimiento de dilatación o contracción. En el caso de celda fotoeléctrica, la celda misma debe estar limpia y en condiciones, al igual que todo acceso de luz.

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR

Grados F

TABLA DE CONVERSIÓN DE TEMPERATURA Grados Fahrenheit a Centígrados (°C = 1 2 3 4 5 6

0 °C

7

8

9

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

127.2 132.8 138.3 143.9 149.4

127.8 133.3 138.9 144.5 150.0

128.8 133.9 139.4 145.0 150.6

128.9 134.4 140.0 145.6 151.1

129.4 135.0 140.6 146.1 151.7

130.0 165.6 141.1 146.7 152.0

130.6 136.1 141.7 147.2 152.8

131.1 136.7 142.2 147.8 153.3

131.7 137.2 142.5 148.6 153.9

260 270 280 290 300

126.7 132.2 138.7 143.3 14839

310 320 330 340 350

154.4 160.0 165.6 171.1 176.7

155.0 160.6 166.1 171.7 177.2

155.6 161.1 166.7 172.2 177.8

156.1 161.7 167.2 172.8 178.3

156.7 162.2 167.8 173.2 178.9

157.2 162.8 168.3 173.9 179.4

157.8 163.3 168.9 174.4 180.0

158.3 163.9 169.4 175.0 180.6

158.9 164.4 170.0 175.6 181.1

159.4 166.0 170.6 176.1 181.7

360 370 380 390 400

182.2 187.8 193.3 198.9 204.4

182.8 188.3 193.9 199.4 205.0

183.3 188.9 194.4 200.0 205.6

183.9 189.4 195.0 200.6 206.1

184.4 190.0 195.6 201.1 206.7

185.0 190.6 196.1 201.7 207.2

185.6 191.1 196.7 202.2 207.8

186.1 191.7 197.2 202.8 208.3

186.7 192.2 197.8 203.3 208.9

197.2 192.8 198.3 203.9 209.4

410 420 430 440 450

210.0 215.6 221.1 226.7 232.2

210.6 216.1 221.7 227.2 232.8

211.1 216.7 222.2 227.8 233.3

211.7 217.2 22.8 228.3 233.9

212.2 217.8 223.3 226.9 232.4

212.8 218.3 223.9 229.4 235.0

213.3 218.9 224.4 230.0 234.6

213.9 219.4 225.0 230.6 236.1

214.4 220.0 225.6 231.1 236.7

215.0 220.6 226.1 231.7 237.2

460 470 480 490 500

237.8 243.3 248.9 254.4 260.0

238.3 243.9 249.4 255.0 ----

238.9 244.4 250.0 255.6 ----

239.4 245.0 250.6 256.1 ----

240.0 245.6 251.1 256.7 ----

240.6 246.1 251.7 257.2 ----

241.1 246.7 252.2 257.8 ----

241.7 247.2 252.8 258.3 ----

242.2 247.8 253.3 258.9 ----

242.8 248.3 253.9 259.4 ----

8

9

Grados C 0 10 20 30 40 50

TABLA DE CONVERSIÓN DE TEMPERATURA Grados centígrados a Fahrenheit (°F = (°C x 1,8) – 32) 1 2 3 4 5 6 7

0 °F

°F

°F

°F

°F

°F

°F

°F

°F

°F

32 50 68 86 104 122

33.8 51.8 69.8 87.8 105.8 123.8

35.6 53.6 71.6 89.6 107.6 125.6

37.4 55.4 73.4 91.4 109.4 127.4

39.2 57.2 75.2 93.2 111.2 129.2

41 59 77 95 113 131

42.8 60.8 78.8 96.8 114.8 132.8

44.6 62.6 80.6 98.6 116.6 134.6

46.4 64.4 82.4 100.4 118.4 136.4

48.2 66.2 84.2 102.2 120.2 138.2

GENERADORES DE VAPOR 110 120 130 140 150

230 248 266 284 302

231.8 249.8 267.8 285.8 303.8

233.6 251.6 269.6 287.6 305.6

235.4 253.4 271.4 289.4 307.4

237.2 255.2 273.2 291.2 309.1

239 257 275 293 311

240.8 258.8 276.8 294.8 312.8

242.6 260.6 278.6 296.6 314.6

244.4 262.4 280.4 298.4 316.4

246.2 264.2 282.2 300.2 318.2

160 170 180 190 150

320 338 356 374 392

321.8 339.8 357.8 375.8 393.8

323.6 341.6 359.6 377.6 395.6

325.4 343.4 361.4 379.4 397.4

327.2 345.2 363.2 381.2 399.2

329 347 365 383 401

330.8 348.8 366.8 384.8 402.8

32.6 350.6 368.6 386.6 404.6

334.4 352.4 370.4 388.4 406.4

336.2 354.2 372.2 390.2 408.2

210 220 230 240 250

410 428 446 464 482

411.8 429.8 447.8 465.8 483.8

413.6 431.6 449.6 467.6 485.6

415.4 433.4 451.4 469.4 487.4

417.2 435.2 453.2 471.2 489.2

419 437 455 473 491

420.8 438.8 456.8 474.8 492.8

422.6 44.6 458.6 476.6 494.6

424.4 442.4 460.4 478.4 496.4

426.2 444.2 462.2 480.2 498.2 etc.

TABLA DE EQUIVALENCIAS 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 14.3 lb/pulg2 = 10 m columna de agua 2 Atm = 2 Kg/cm2 = 28.6 lb/pulg2 = 20 m columna de agua 3 Atm = 3 Kg/cm2 = 42.9 lb/pulg2 = 30 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 57.2 lb/pulg2 = 40 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 71.5 lb/pulg2 = 50 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 85.8 lb/pulg2 = 60 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 100.1 lb/pulg2 = 70 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 114.4 lb/pulg2 = 80 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 128.7 lb/pulg2 = 90 m columna de agua 1 Atm = 1 Kg/cm2 = 143.0 lb/pulg2 = 100 m columna de agua

GENERADORES DE VAPOR Grados F

TABLA DE CONVERSIÓN DE TEMPERATURA Grados Fahrenheit a Centígrados (°C = 1 2 3 4 5 6 7

0 °C

8

9

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

-17.2 -11.7 -6.1 -0.6

-16.7 -11.1 -5.6 ---

-16.1 -10.6 -5.0 ---

-15.6 -10.0 -4.4 ---

-15.0 -9.4 -3.9 ---

-14.4 -8.9 -3.3 ---

-13.9 -8.3 -2.8 ---

-13.3 -7.8 -2.2 ---

-12.8 -7.2 -1.2 ---

0 10 20 30

-17.8 -12.2 -6.1 -1.1

30 40 50 60 70 80 90 100

--4.4 10.0 15.6 21.1 26.7 32.2 37.8

--5.0 10.6 16.1 21.7 27.2 32.8 38.3

0 5.6 11.1 16.7 22.2 27.8 33.3 38.9

0.6 6.1 11.7 17.2 22.8 28.3 33.9 39.4

1.1 6.7 12.2 17.8 23.3 28.9 34.4 40.0

1.7 7.2 12.8 18.3 23.9 29.4 35.0 40.6

2.2 7.8 13.3 18.9 24.4 30.0 35.6 41.1

2.8 8.3 13.9 19.4 25.0 30.6 36.1 41.7

3.3 8.9 14.4 20.0 25.6 31.1 36.7 42.2

3.9 9.4 15.0 20.6 26.1 31.7 37.2 42.8

110 120 130 140 150

43.3 48.9 54.4 60.0 65.6

43.9 49.4 55.0 60.6 66.1

44.4 50.0 55.6 61.1 66.7

45.0 51.1 56.1 61.7 67.2

45.6 51.7 56.7 62.2 67.8

46.1 52.2 57.2 62.8 68.3

46.7 52.8 57.8 63.3 68.9

47.2 53.3 58.3 63.9 69.4

47.8 53.3 58.9 64.4 70.0

48.3 53.9 58.4 65.0 70.6

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

71.1 76.7 82.2 87.8 93.3 98.9 104.4 110.0 115.6 121.1

71.7 77.2 82.8 88.3 93.9 99.4 105.0 110.6 116.1 121.7

72.2 77.8 83.3 88.9 94.4 100.0 105.6 11.1 116.7 122.2

72.8 78.3 83.9 89.4 95.0 100.6 106.1 111.7 117.2 122.8

73.3 78.9 84.4 90.0 95.6 101.1 106.7 112.2 117.6 123.3

73.9 79.4 85.0 90.6 96.1 101.7 107.2 112.8 118.3 123.9

74.4 80.0 85.6 91.1 96.7 102.2 107.8 113.3 118.9 124.4

75.0 80.6 86.1 91.7 97.2 102.8 108.3 113.9 119.4 125.0

75.6 81.1 86.7 92.2 97.8 103.3 108.9 114.4 120.0 125.6

76.1 81.7 87.2 92.8 98.3 103.9 109.4 115.0 120.6 126.1

Presión del Vapor (Atm)

TABLA DE VAPOR SECO Temperatura Volumen de 1 Peso 1 m2 de Del vapor (°C) K vapor (m3/K) Vapor (K/m3)

Calor del Vapor (Cal/k)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

99.1 104.2 108.7 112.7 116.3 119.6

1.721 1.451 1.258 1.108 0.993 0.902

0.5811 0.6892 0.7949 0.9025 1.0070 1.1090

638.2 640.8 642.6 643.9 644.8 645.6

1.5 2.0 2.2 3.0 3.5

126.8 132.9 138.2 142.9 147.2

0.735 0.619 0.533 0.471 0.422

1.361 1.615 1.874 2.123 2.370

647.5 649.5 651.0 652.5 653.9

GENERADORES DE VAPOR 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

151.1 154.7 158.1 161.2 164.2

0.382 0.349 0.321 0.298 0.277

2.616 2.862 3.107 3.352 3.600

655.2 656.3 657.3 658.3 659.3

6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

167.0 169.6 172.2 174.6 176.9

0.260 0.245 0.231 0.219 0.208

3.834 4.082 4.314 4.557 4.808

660.1 660.0 661.7 662.5 663.2

9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 17.0 19.0 20.0

178.1 183.2 187.1 190.8 194.2 197.4 200.5 206.2 211.4 312.9

0.198 0.181 0.166 1.154 0.144 0.135 0.127 0.114 1.103 0.098

5.050 5.510 5.995 6.477 6.935 7.407 7.862 8.772 9.662 10.15

663.8 665.2 666.4 667.5 668.4 669.3 670.3 671.6 672.8 673.3

GENERADORES DE VAPOR CAPITULO III ACCESORIOS DE LAS CALDERAS Se llama accesorios a los elementos necesarios para conseguir el correcto funcionamiento de una caldera con una mayor potencia. Podría decirse que son dispositivos inherentes a una caldera. De acuerdo con su utilización se clasifican como sigue: 1.

Accesorios de observación a) Indicador de nivel de agua

b) Indicadores de presión

Tubos de nivel Grifos o llaves de prueba Manómetros Altímetros

c) Analizadores de gases de la combustión

d) Indicadores de temperatura 2.

Indicador de CO2 Indicador de CO

Termómetros y Pirómetros

Accesorios de seguridad

a) Válvulas de seguridad

b) Tapones fusibles c) Silbatos de alarma

De palanca y contrapeso De peso directo De resorte

GENERADORES DE VAPOR 3.

Accesorios de alimentación de agua a) Bombas

Centrífugas De émbolo

b) Inyecciones

Sencilla Dúplex

Manual Automáticos

c) Calderesas o botella 4.

Accesorios de Limpieza a) Puertas de visita (tapas de registro – puerta de hombre b) Llaves de purga

Válvula de extracción de fondo Válvula de extracción de superficie

c) Sopladores de hollín, limpia tubos – mecánicos, atizadores, rastrillos, escoriadores, barrotes y escobillas limpia tubos 5.

Accesorios de alimentación de combustibles a) Quemadores de combustibles líquidos b) Quemadores de combustibles sólidos (palas)

6.

Accesorios Optativos a) b) c) d)

economizadores Recalentadores Trampa de vapor Controles automáticos

1.- ACCESORIOS DE OBSERVACIÓN Tubo de nivel: Consisten en dos tubos, generalmente de bronce, uno conectado a la cámara de vapor y el otro a la cámara de agua de la caldera, ambos unidos

GENERADORES DE VAPOR exteriormente por un tubo de vidrio que, en virtud del principio de los vasos comunicantes, indica el nivel de agua que hay en el interior de la caldera El tubo de vidrio va empaquetado en sus extremos por medio de prensas-estopas con sus respectivas gomas y golillas. Disposiciones oficiales que rigen en nuestro país exigen el uso de dos indicadores de nivel de agua para toda caldera, uno de los cuales debe ser siempre de observación directa (del tipo de tubo de vidrio) pudiendo ser el otro formado por una serie de tres grifos o llaves de prueba. Ubicación: Debe instalarse en la parte más visible para el fogonero. Cuando el tubo se encuentre a una altura que dificulte su observación (más de 3 metros de altura sobre el suelo) se le dará una inclinación hacia delante para facilitar su observación o utilizar repetidores, eléctricos o de espejo. Instalación: La conexión superior con la caldera debe ser siempre con la cámara de vapor y la inferior debe ser de tal manera que la tuerca de la prensa estopa quede al nivel mínimo del agua. Con esta disposición el nivel mínimo admisible de agua en la caldera estará a lo largo del tubo de vidrio el cual debe marcarse claramente en forma indeleble. Para una buena mantención de este tipo de nivel se recomienda hacerle descarga y pruebas diarias a todas sus llaves para evitar indicaciones falsas de nivel de agua. Para eso se procede a efectuar la prueba de agua y la prueba de vapor en el tubo de nivel

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR Con el propósito de facilitar la visibilidad del nivel de agua puede pintarse una línea, en el nivel medio de color roja y delgada en su parte posterior y todos los tubos deben estar provistos de defensas contra posibles roturas del tubo de vidrio. Fallas comunes: a) Comunicación con las cámaras de agua y vapor tapadas: Cuando el caldero está con agua, ya sea en servicio o detenido, y al abrir la llave que comunica con la atmósfera (desagüe) no sale agua ni vapor, es una demostración práctica de que se ha acumulado sedimente o hay obstrucción de los conductos por otras razones. b) Fuga por las empaquetadoras: Al producirse filtraciones de agua o por las empaquetadoras se debe proceder de inmediato a su reparación para evitar quebraduras del tubo o daños al personal. c) Desgastes de tubos: El tubo de vidrio se gasta por las condiciones naturales de su uso, por esta razón en las inspecciones debe tenerse especial cuidado en su observación. Al notarse cualquier principio de desgaste debe procederse de inmediato a su cambio, porque en ese estado se vuelve muy quebradizo. Es importante evitar corrientes bruscas de aire para prevenir rupturas de tubos, especialmente cuando su verticalidad no es absoluta quedando sometido a esfuerzos diferentes en sus conexiones con las prensas o estopas. Grifos de Prueba: Consisten en tres llaves colocadas a diferentes alturas. La primera debe estar colocada a un nivel superior al máximo admisible de agua, es decir, en la cámara de vapor, y por ella debe salir siempre vapor al abrirla. La segunda debe estar ubicada al nivel normal de trabajo de la caldera (dentro de la cámara de alimentación) y por ella debe salir una mezcla de agua y vapor. La tercera debe ir ubicada a una altura que corresponde al nivel mínimo permitido y por ella debe salir solo agua. Para estar seguro si sale agua o vapor por estos grifos bastará con dirigir el chorro de fluido contra un obstáculo que puede ser de madera o cartón, así se facilita enormemente su detección. Los grifos de prueba deben encontrarse siempre en buenas condiciones de uso ya que su objetivo es reemplazar al tubo de observación directa cuando este se quiebra o se le producen fallas de otra naturaleza. Por último conviene destacar que las llaves de prueba, en general, están distribuidas dentro de la longitud visible del tubo de vidrio. Manómetros: El manómetro es un instrumento indispensable y ninguna caldera puede trabajar sin él. Está destinado a indicar en forma clara y precisa la “presión efectiva” del vapor, en Kg./cm2 o lb/pulg2, que existen en el interior de la caldera. El manómetro deberá conectarse a la cámara de vapor de la caldera mediante una cañería que forma una curva “s” de modo que sobre él obre agua y no vapor. El

GENERADORES DE VAPOR objetivo de la curva es evitar que lleve vapor vivo al interior del mecanismo, para que no se deforme o delate con el calor y se pierda su exactitud. En esta curva se acumula vapor condensado lo cual forma un sello de agua que siempre actuará sobre el instrumento. El manómetro más sencillo consiste en un tubo elíptico curvado, cerrado en un extremo, el que al moverse hace girar un sector dentado que engrana con un pequeño piñón. En el mismo eje de este piñón va montada la aguja que se desplaza sobre una esfera graduada. La presión del vapor, agua o cualquier fluido tiende a enderezar el tubo, puesto que, por estar uniformemente distribuida en su interior, ejercerá mayor fuerza sobre las paredes externas, de mayor superficie que las internas. Cuando la presión disminuye a 0 la elasticidad del tubo hace que vuelva a su forma primitiva, con lo cual la aguja indicadora de presión vuelve al principio de la graduación de la esfera. Conviene tener presente para el buen funcionamiento de un manómetro las siguientes recomendaciones: a) La ubicación será tal que impida el calentamiento del manómetro a mas de 50°C. b) Siempre debe estar marcado con rojo, en la esfera, el punto exacto de la presión máxima admisible. c) Deberá tener una capacidad para indicar. A lo menos, una y media vez la presión autorizada de trabajo (casos de Prueba Hidráulica de la caldera) d) Entre el manómetro y la caldera deberá colocarse una llave de paso que facilite el cambio del instrumento. Esta lleve debe permanecer siempre completamente abierta para evitar falsas indicaciones de presión. e) La cañería curva debe revisarse periódicamente para evitar acumulación de sedimento que puede impedir el libre paso del vapor. f) Se evitarán filtraciones en la línea de conexión del manómetro para suprimir indicaciones falsas. g) El diámetro del manómetro debe estar en relación con el tamaño de la caldera. No debe mantenerse en servicio un manómetro cuando presente alguno de los siguientes defectos: -

Sin vidrio o vidrio quebrado Con los números de su esfera borrados Que marque presión cuando la caldera está fuera de servicio Cuando la llave de conexión no abra bien Si su cañería de conexión no forma curva en “S”.

GENERADORES DE VAPOR En calderas de calefacción pro agua caliente se utiliza el instrumento denominado “Altímetro” que indica directamente la presión en metros de columna de agua.

GENERADORES DE VAPOR Analizadores de gases de la combustión: Indicadores de CO2 son aparatos destinados a controlar la combustión dentro del hogar mediante el análisis de los gases que salen por la chimenea. Mientras mayor sea el porcentaje de anhídrido carbónico (CO2) que indique el instrumento, mejor será la combustión, o sea, que la mezcla combustible y aire se está realizando en la proporción debida. Este analizador está basado sobre una comparación de las influencias respectivas del aire. La mala conductibilidad calórica del CO2 dificulta el enfriamiento normal de los alambres en comunicación de los gases, de lo cual resulta una diferencia entre las resistencias y un desequilibrio de las corrientes que atraviesan los conductos que va a ser función de la proporción de CO2 que contienen los gases. Indicadores de CO: La proporción de CO se mide mediante un segundo puente, cuyos dos alambres de platino son calentados eléctricamente a una temperatura relativamente alta. Uno de estos dos hilos está sometido a la influencia del gas de combustión. Debido a la acción catalizadora del platino el CO (que es combustible) se quema sobre la superficie de este alambre recalentándola, lo que rompe el equilibrio en el instrumento indicando directamente la proporción de monóxido de carbono (CO). La lectura del instrumento de CO (Gases no quemados) debe ser lo más reducido posible, así será menor la cantidad de combustible que pierde por mala combustión. Indicadores de temperatura: Las distintas medidas de temperaturas se realizan mediante pirómetros termoeléctricos para temperaturas de hasta 1.500°C mediante termómetros con resistencias utilizables hasta temperaturas de 550°C como máximo. En calderas se utilizan los termómetros y pirómetros para medir temperaturas del agua de alimentación, temperatura del vapor, la de los gases de combustión y del hogar. 2. ACCESORIOS DE SEGURIDAD Válvulas de seguridad: Todas las calderas deben disponer de una o más válvulas de seguridad cuya finalidad es dar salida (evacuar), al vapor de la caldera cuando se sobrepase la presión normal de trabajo autorizada, con lo cual se evitará presiones excesivas en los generadores de vapor. La válvula (o válvulas) de seguridad debe ser capaz de evacuar todo el vapor que produce la caldera, aún sin hacer otro consumo antes que la presión sobrepase un10% (diez por ciento) la presión de trabajo autorizada La válvula de seguridad debe regularse a un 6% (seis por ciento) sobre la presión normal de trabajo. Debe ir conectada directamente a la cámara de vapor de la caldera, independiente de toda otra conexión o toma de vapor y sin interposición de ninguna válvula y obstrucción.

GENERADORES DE VAPOR Los recalentadores y los economizadores deberán estar provistos de válvulas de seguridad. Su capacidad de descarga debe ser, por lo menos, el 75% de la capacidad de la válvula de una caldera. Válvula de seguridad de resorte: El esfuerzo que mantiene cerrada la válvula se consigue mediante un resorte calibrado cuya tensión está en proporción al rango de la presión de trabajo de caldera. Puede regularse disminuyendo o aumentando la tensión del resorte con el mecanismo de graduación que tiene para este objeto. Las válvulas de este tipo deben tener un dispositivo que permita abrirlas, a fin de despegarlas de su asiento, operación que debe realizarse, por fogonero, todos los días en forma manual. Válvulas de seguridad de palanca y contrapeso: El cierre de la válvula se produce mediante un contrapeso colocado sobre un brazo de palanca que la presiona. En este tipo de válvula deberá utilizarse con contrapeso de una sola pieza y la palanca no debe cargarse con peso adicional ni amarrarse para evitar su funcionamiento. Debe probarse todos los días levantar manualmente el contrapeso, pero estar seguro de su normal funcionamiento. La regulación se consigue alejando o acercando el contrapeso. Válvulas cargadas con peso directo: En estas válvulas la presión exterior sobre la válvula se consigue colocando discos metálicos sobre ella y la regulación se obtiene agregando o colocando discos con sus respectivas guías u orificios para alojarlos en los vástagos. En caso de tener que elegir válvulas de seguridad se recomienda que se prefieran del tipo de “Resorte de Disparo” con el asiento a una inclinación de 45 a 90°, con respecto a la línea central del vástago. Tapón fusible: Es un tapón de bronce con hilos para ser atornillados al caldero, y tiene un orificio cónico en el centro, el cual se rellena con una aleación metálica (plomo, estaño) cuyo punto de fusión debe ser de 250°C como máximo. Estos tapones van instalados en el cielo de aquellas calderas de hogar interior (Lancashiere, locomóviles, locomotoras, vertical de tubos Galloway, etc). El objeto de este elemento de seguridad es que cuando el nivel de agua baja más allá del límite inferior admisible y quede el techo del hogar sin agua, se funde la aleación dejando caer agua con vapor sobre el fuego apagándolo, a la vez que sirve de alarma al fogonero, evitando así mayores perjuicios en la caldera. No todas las calderas llevan tapones fusibles ya que en algunos tipos no se justifica su utilización.

GENERADORES DE VAPOR Silbato de alarma: Algunos generadores de vapor llevan unos accesorios de seguridad llamados silbatos de alarma que funcionan cuando el nivel de agua en el interior de la caldera ha descendido más allá del nivel normal. Consisten en un tubo metálico con el extremo inferior abierto y sumergido en el interior de la caldera, hasta el nivel mínimo admisible. En el extremo superior lleva un silbato con su entrada obstruida por un fusible, de unos 100°C, rodeado de un tubo espiral expuesto al enfriamiento exterior. Mientras el agua cubre la entrada inferior del tubo, la presión del vapor lo mantendrá lleno de agua. Cuando el nivel de agua en el interior de la caldera desciende más abajo del mínimo admisible queda al descubierto el extremo inferior del tubo, cae el agua al interior de la caldera llenándose el tubo de vapor, éste caliente rápidamente al fusible, lo que ocasiona la fusión de él, dejando pasar vapor al silbato y produciendo la consiguiente alarma. 3. ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE AGUA Los accesorios de alimentación de agua tienen por objetivo reponer el líquido que se ha vaporizado en el interior de la caldera. Requisitos que debe cumplir: a) Cada caldera dispondrá de dos medios de alimentación, de los cuales uno debe ser accionado independientemente del otro. b) El dispositivo de alimentación debe ser capaz de inyectar 1,6 veces la cantidad máxima de agua vaporizada por la caldera. c) La presión que debe producir cada elemento alimentador debe ser, por lo menos 1,1 veces la presión máxima de trabajo del generador de vapor, aumentada en el porcentaje que corresponda a posibles pérdidas de carga ocasionada por cañerías. d) Siempre deben estar en buenas condiciones de prestar servicio. e) La cañería de alimentación tendrá una válvula de retención, ubicada cerca de la caldera y una válvula de cierre manual ubicada entre la caldera y la válvula de retención. f) Se prohíbe unir directamente las cañerías de agua potable con la línea de alimentación de las calderas. Bombas de alimentación: Las bombas de alimentación de agua para las calderas se pueden clasificar en: 1) Bombas émbolo, con uno o varios cilindros, 2) bombas centrífugas, con uno o varios escalonamientos (impulsiones).

GENERADORES DE VAPOR 1) Bombas de émbolo: Las bombas de émbolo funcionan ejerciendo directamente la presión sobre el líquido bombeado, la entrada y salida del agua de la bomba está controlada por válvulas que se abren y cierran intermitentemente. 2) Bombas centrífugas: Ejercen la presión sobre el líquido por rotación rápida de un impulsor alojado dentro de una carcaza. En estas bombas la entrada y salida de agua son continuas, sin válvulas y sin dispositivos de control en la unidad misma. Las bombas centrífugas proporcionan un caudal continuo, y se utilizan ventajosamente para servicios de grandes presiones relativas empleando unidades de varios rodetes impulsores, lo que se conoce también como bombas de escalonamientos múltiples. Tienen costo menor de instalación y mantención. Inyectores de agua: Los inyectores funcionan con el mismo vapor de la caldera y son capaces de descargar agua contra una presión relativa de 2 a 4 Kg/cm2 mayor que la del vapor que los alimenta. Al entrar el vapor en el dispositivo adquiere una gran velocidad en la primera tobera (cono) debido a su presión y comunica una cierta cantidad de energía al agua que llega de la cañería de alimentación. Esta acción obliga a pasar el agua a lo largo de la tobera (cono) de aspiración, de la tobera de descarga y de la cañería de salida. Este mismo efecto hace posible que se levante la válvula de retención de descarga del aparato y se venza la presión interna de la caldera. El agua de alimentación penetra al inyector por la cañería de alimentación debido que al pasar el vapor se produce un vacío parcial al entrar en la tobera de aspiración y la presión atmosférica empuja el agua hacia el interior del inyector. La presión mínima necesaria para que un inyector funcione es de 35 lbs/pul2. Alimentación por calderetas o botella: Algunas calderas de muy pequeña potencia tienen un sistema de alimentación de agua que se denomina caldereta o botella y que consiste en un recipiente que debe tener la misma resistencia mecánica que la caldera. Va ubicada a un nivel más alto que la caldera. Tienen sus cámaras superiores e inferiores comunidades entre sí. La botella además, tiene comunicación con la atmósfera y una conexión por la cual puede llenarse de agua fría mediante un embudo. Para alimentar la caldera se igualan las presiones, abriendo la válvula que permite el paso de vapor desde la caldera a la “Botella” después se abre la válvula de paso de agua desde la “caldereta” a la caldera y ésta caerá por su propio peso. Este sistema se designa también de “alimentación por gravedad”. 4. ACCESORIOS DE LIMPIEZA Sirven para efectuar la limpieza interior o exterior de la caldera, por el lado de los conductos de humo.

GENERADORES DE VAPOR Puertas de visita y tapas de registro: Van instaladas en la misma caldera y sirven para efectuar limpiezas o inspecciones interiores de los colectores principales o de los tubos según sea su ubicación. Existen también puertas de visita que permiten efectuar la limpieza a los conductos de humo. Muchas veces estas puertas se acondicionan con contrapesos o resortes calculados para que se abran a un exceso de presión y permitan la salida de los gases al producirse una mezcla explosiva en la cámara de combustión. Estas puertas se llaman “Puertas de Explosión”. Llaves de purgas de extracción de fondo: Están ubicadas en las partes más bajas de la caldera, sirven para extraer los lodos provenientes de la evaporización de “Aguas Duras” y acción de “Desincrustantes”. También se utilizan para vaciar las calderas. Estas llaves deben abrir totalmente y dejar libre toda la sección de la cañería o descarga. No se debe usar válvulas de compuestas ni de globo. Algunas calderas tienen también a la altura del nivel de agua, dentro de la cámara de alimentación, una llave llamada de extracción de superficie para botar algunas impurezas livianas. Algunas calderas modernas traen además un sistema de purga (extracción de fondo) continua, por intermedio de un tubo pequeño, para ir sacando las impurezas a medida que precipitan; no obstante, de vez en cuando deben abrirse las válvulas grandes de extracción de fondo, para sacar completamente los lodos acumulados. Las extracciones de fondo pueden hacerse a cualquier presión que tenga la caldera. El método y frecuencia que se utilice dependerá de cada instalación en particular. Sopladores de hollín, limpia tubos mecánicos: Así como la incrustación se deposita sobre la superficie de la caldera bañada con agua, el hollín se acumula sobre la cara expuesta a los gases de la combustión. Como el hollín tiene alto poder aislante del calor se hace necesario evitar que se adhiera a las paredes de la caldera, lo que se consigue limpiándolas con lanzas de vapor movidas a mano, con sopladores de hollín con chorro de vapor o bien con cepillo de acero. Los sopladores de hollín están instalados permanentemente en la caldera y distribuidos de tal manera que todas las partes expuestas a la acumulación de hollín puedan limpiarse con chorros de vapor. Los mecanismos de los sopladores pueden girar para dirigir el vapor. Como medio automático de soplado de hollín se emplea el aire comprimido. En algunas instalaciones las altas temperaturas determinadas zonas de los conductos de humo exigen que se retiren los sopladores de hollín, cuando no se utilizan, para evitar su fusión. Los limpia tubos mecánicos pueden ser de tipo “vibratorio” que desprenden la incrustación por medio de golpes rápidos y que son aplicables a las calderas acuotubulares y a las ignitubulares o de tipo “fresa rotatoria o giratoria”, los cuales arrancan la incrustación por medio de una herramienta cortante. Este tipo de limpia tubos solo se emplea en calderas de tubos de agua.

GENERADORES DE VAPOR Los atizadores, rastrillos, escoriadores, barrotes y escobilla limpia tubos completan los accesorios de limpieza. 5. ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLES Son los encargados de suministrar el combustible al hogar para efectuar la combustión en la caldera. El principal accesorio es el quemador de combustible, siendo que existen otros accesorios menores como ser: almacenamientos, (estanques, tolvas, galpones, etc.), bombas, correas transportadoras, calentadores, molinos pulverizados, tubulación, etc. Quemador de combustible sólido: Realizan la alimentación al hogar, dejando depositado el combustible sobre la parrilla y pueden ser manuales o automáticos. Existen también algunos combustibles sólidos como el carboncillo, que son pulverizados previamente para después ser enviados al interior del hogar mediante ventiladores. Quemador de combustibles líquidos: Son los de uso más frecuente en calderas, por su comodidad operacional y mejor rendimiento. Consisten básicamente en introducir el líquido al hogar en forma atomizada y turbulenta, para obtener una mezcla más íntima con el aire primario de la combustión. Se clasifican de acuerdo con su función atomizadora en “Mecánicos” (cuando es pulverizado mediante la presión ejercida por la bomba de combustible), y “Rotativos” (cuando su atomización y movimiento turbulento ciclónico, se realiza por la rotación del líquido a lo largo y en torno al interior del quemador y las toberas de salida). En este último se ha comprobado mayor efectividad y mejor aprovechamiento del combustible. ACCESORIOS OPTATIVOS Son de uso frecuente, pero no indispensable en toda caldera. Los accesorios más comunes utilizados serían: economizadores, recalentadores, evaporizador, trampas de vapor, etc. Economizadores: En algunas instalaciones de generadores de vapor para aprovechar el exceso de calor que llevan los humos y gases a la chimenea se les dota de economizadores, en los cuales se precaliente el agua de alimentación. Recalentadores: Son dispositivos que se utilizan para elevar la temperatura del vapor por sobre la del vapor saturado y sin aumento de la presión, es decir son intercambiadores de calor destinados a comunicar energía adicional al vapor además de la que posee en el estado de saturación. En los recalentadores se puede aprovechar la temperatura de los gases calientes que van a la chimenea, en tal caso se llaman de “convección” y los que están ubicados en las inmediaciones de la cámara de

GENERADORES DE VAPOR combustión expuestos a las llamas se denominan “recalentadores de radiación”. Hay también recalentadores con su propio sistema de combustión. Otro tipo de recalentadores son los de aire que son dispositivos que sirven para precalentar el aire necesario para la combustión y pueden utilizarse como recuperadores de parte del calor de los gases que van a la chimenea. Otro método de precalentar el aire es mediante vapor y radiadores instalados en la línea de succión de los inyectores de aire (ventiladores). Las ventajas que pueden mencionarse utilizando aire precalentado son: Conservación de calor, pro cuanto al llegar el aire caliente no se desperdicia energía en calentarlo en el Hogar, mejoramiento de la combustión y aumento del rendimiento del sistema de combustión de la caldera. Trampas de vapor: Son dispositivos que sirven para retener las partículas de agua y algunas materias sólidas que llevan en suspensión el vapor. El principio de funcionamiento consiste en centrifugar el vapor y las partículas de agua. Por la disposición misma del aparato, precipitan descarga automáticamente cuando se junta cierta cantidad de agua (la válvula de descarga se acciona por flotador o por dilatación). Controles automáticos: Controlan una variables operacional, difícil de manejar en forma manual. Los elementos más frecuentes controlados en una planta de vapor son los niveles de estanques de agua de alimentación, arranque y parada de bombas, regulación de aire y combustibles, etc. Los controles automáticos, sirven de energía neumática, hidráulica o eléctrica para accionar telemotores, los cuales regulan la variable operacional. Los tipos básicos de control en uso son: 1) De todo o nada: En este sistema, la instalación funciona a plena capacidad hasta que un termostato o presostato cierra el paso, al llegar a límites pre-regulados, para luego reabrirlo totalmente una vez que alcanza los valores mínimos. 2) De regulación intermedia: Consta de un elemento sensible a los cambios de la variable operacional. Estos cambios son transmitidos a la válvula reguladora. 3) Sistema volumétrico: Se utiliza principalmente para la regulación de la combustión y consiste en un elemento que mide el caudal de vapor y lo regula atendiendo a los impulsos que soliciten aumento o disminución de dicho caudal, actuando para este fin sobre el aire y el combustible en forma tal que permite una correcta combinación.

GENERADORES DE VAPOR CAPITULO IV COMPORTAMIENTO DE LAS CALDERAS Para evaluar el comportamiento de las calderas, existen diferentes mediciones en las que se relacionan los diferentes factores que participan en el funcionamiento del generador de vapor. Los más relevantes son los siguientes: Superficie de calefacción: Es aquella parte de las calderas que por un lado está en contacto con el agua y por el otro con el fuego y gases calientes, medida por el lado de los humos y se expresa en metros cuadrados. Es lo que determina el tamaño de una caldera. Potencia de una caldera: La potencia de una caldera se puede expresar como la relación entre la cantidad de vapor que puede generar en una hora, por la superficie total de calefacción. Vapor producido en una hora (KVH) Potencia = Superficie de calefacción (M2) A modo de ejemplo podemos anotar los siguientes valores: Calderas con dos Hogares interiores Calderas locomóvil o de locomotora Caldera marina o escocesa Caldera vertical Caldera acuotubular-parrilla plana Caldera acuotubular-parrilla autom. Caldera acuotubular de gran potencia Caldera acuotubular de circulación forzada

14 a 22 12 a 20 18 a 28 10 a 14 15 a 28 25 a 40 40 a 66 60 a 150

KVH/m2 “ “ “ “ “ “ “

Sup. “ “ “ “ “ “ “

Calef. “ “ “ “ “ “ “

Es frecuente medir la potencia de una caldera expresando el calor total transmitiendo por la superficie de calefacción en K calorías por hora. Rendimiento de una caldera: Se llama rendimiento al porcentaje de calor contenido en el combustible que se traspasa al vapor generado por la caldera, al quemar dicho combustible. También podría definirse el rendimiento diciendo que: “Es la relación entre la energía (calor) contenida en el vapor y el calor contenido en el combustible que se quema”.

GENERADORES DE VAPOR Calor contenido en el vapor Rendimiento = Calor correspondiente al combustible quemado Balance térmico Es la distribución resultante del calor de la combustión en el hogar de una caldera. El cual consiste en confeccionar una tabla con el calor absorbido por el generador de vapor y con las varias pérdidas caloríficas concurrentes en la combustión. Si consideramos un rendimiento del 70% en una caldera, que es lo que generalmente se obtiene, haciendo el balance térmico obtendríamos los siguientes resultados: a) Por combustión incompleta b) Por gases calientes que van a la chimenea

9,80% 14,00%

c) Por cenizas y escorias

2,85%

d) Por radiación y otras causas

3,35%

e) Rendimiento caldera

70,00% 100,00 %

Coeficiente de evaporización: Es el valor que se obtiene dividiendo la cantidad de kilos de vapor generando en una hora por el peso en kilos del combustible consumiendo en esa misma hora. Esto nos indica el número de kilos de vapor que produce cada kilo de combustible quemado. Vapor producido en una hora (KVH) Coeficiente Evap. = Combustible consumido en una hora (KCH) Este factor es importante para conocer la cantidad de combustible y la forma de trabajo o rendimiento de una planta generadora de vapor. O sea, cuando mayor sea el rendimiento de una caldera y mientras mayor sea la calidad del combustible y el sistema de combustión tanto mayor será la cantidad de vapor generado por el combustible, es decir, mayor será su coeficiente de evaporización.

GENERADORES DE VAPOR CAPITULO V COMBUSTIÓN EN LAS CALDERAS Se llama combustión a la acción y efecto por lo cual las sustancias combustibles reaccionan con el oxígeno desarrollando calor. Para que se efectúe una combustión, es necesario la presencia de 3 elementos fundamentales que son: Combustible – Oxígeno y Calor.- Cualquiera de estos elementos que falte, la combustión no se efectúa. O si están combinados insuficientemente obtendremos una mala combustión. a)

Combustibles: Existen muchas sustancias combustibles, pero no todas pueden usarse en procesos de combustión, con fines prácticos. Los combustibles se encuentran en la naturaleza, y según su estado, se clasifican en: Sólidos – Líquidos y Gaseosos, y la energía que producen, es decir la temperatura que da la reacción de sus componentes con el oxígeno del aire se llama su Poder Calorífico y se mide en Calorías. Los combustibles más comúnmente usados son: Combustibles sólidos

Poder Calorífico

Carbón de piedra Carboncillo Carbón coque Leña Basura o desperdicios domésticos

6.500 a 7.100 Cal. 6.000 a 6.500 Cal. 6.000 a 6.600 Cal. 3.300 a 3.700 Cal. 1.800 a 2.000 Cal.

Tienen bastante uso en calderas siendo los principales el carbón, sus derivados y la leña. Deben utilizar bastantes accesorios para su combustión, lo que hace más voluminosas las calderas; y debe utilizar hogares de gran tamaño, en comparación con las calderas de combustibles líquidos. Existen además otros combustibles que también tienen aplicación industrial como: Viruta, Aserrín, Paja de Maravilla, Capotillo de Arroz, Orujos de Uva, etc., pero para quemarlos necesitan instalaciones adecuadas construidas para sacar el máximo de aprovechamiento del calor de combustión que desarrollan y obtener al mismo tiempo una buena combustión. Combustibles Líquidos Petróleo (Diesel – Fuel Oil N° 5 y 6 Kerosene (Parafina) Alquitrán Combustible

Poder Calorífico 8.500 a 10.500 Cal. 10.000 a 11.000 Cal. 9.000 a 10.000 Cal.

GENERADORES DE VAPOR Su uso es el más común en instalaciones de calderas y el más sencillo para mantener combustiones sin humo, debido a que se introducen al hogar en quemadores especiales, que permiten su control y regulación. En el caso de usarse petróleos gruesos N° (5 ó 6) y cuando se usa alquitrán combustible es necesario precalentarlos para que adquieran una buena atomización. El aceite de pescado también está usándose como combustible líquido. Combustibles Gaseosos

Poder Calorífico

Gas licuado Gas de alumbrado

11.500 a 12.000 Cal. 10.000 a 11.000 Cal.

Debido a que su uso industrial, no está generalizando, no nos referimos a ellos. Son fáciles de quemar con buena combustión, pero necesitan una muy buena instalación y un cuidado especial para su control y manejo. En general, todos los combustibles están construidos por: Carbono (C), hidrógeno (H2), azufre (S), nitrógeno (N2), Oxígeno (O2), humedad y cenizas. El poder calorífico es función de la proporción en que estos elementos se encuentran en el combustible, siendo tanto mayor, cuando más alto sea la proporción de Carbono e Hidrógeno, o Hidrocarburos Libres. b)

Oxígeno: Se obtiene del aire atmosférico que lo contiene en un 21%. El aire necesario para la combustión corresponde exactamente a una reacción química entre los componentes del combustible y el oxígeno necesario para que esta reacción se desarrollo. Por lo tanto cada combustible, para quemarlo bien, necesita de una cantidad determinada de aire que es la correcta y/o suficiente y a medida que se aumenta la cantidad de combustibles, lógicamente deberá también aumentarse la cantidad de aire necesario. Tiraje natural: Por este medio se obtiene el aire para la combustión y es proporcionado por la chimenea, que al mismo tiempo tiene por objeto lanzar los gases, productos de la combustión, a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias al vecindario (gases y no humos). La acción de la chimenea está basada en la diferencia de temperatura entre los gases calientes y el aire ambiente. A medida que los gases se calientan en el fogón de la caldera, se hacen más livianos al disminuir su densidad y toman un movimiento ascencial; suben por la chimenea y provocan cierta aspiración de aire que da origen a una corriente que desde la sala de calderas, atraviesa el cenicero y toda la instalación suministrando a los fuegos el aire de combustión necesario. Los gases que salen por la chimenea deben tener una temperatura no menor de 18°C., a fin de poder conservar la velocidad necesaria para mantener la aspiración de aire nuevo. Este fenómeno recibe el nombre de “Tiro o Tiraje”.

GENERADORES DE VAPOR El tiraje aumenta en relación a la altura de la chimenea, también influye la diferencia de temperatura entre los gases de combustión y el aire ambiente; a mayor diferencia de temperatura, mayor será la velocidad y fuerza de la corriente de aire.

GENERADORES DE VAPOR Tiraje artificial: Algunas veces es necesario suplementar el tiraje natural con uno provocado artificialmente, utilizando un ventilador y otro medio cualquiera, incluso vapor. Con tiraje artificial se tiene la posibilidad de variar la cantidad de aire que llega al hogar dentro de amplios límites. El tiraje artificial se usa de preferencia en los casos de determinados combustibles sólidos, también cuando la instalación está sometida a oscilaciones de carga tan grande que no alcanzan a ser compensadas por el tiraje natural. También se usa tiraje artificial en calderas de 3 ó más pasos para conseguir una velocidad de movimiento de gases que no se producen con el tiro natural. El tiraje artificial se divide en: “Tiraje Forzado” y “Tiraje Aspirado”. En el tiraje forzado se hace llegar el aire a presión por debajo del emparrillado, utilizando ventiladores o inyectores de vapor. En el tiraje aspirado, un ventilador aspira los gases de la combustión a la salida de la caja de humos y lo impulsa a través de la chimenea. Aire primario y Aire secundario: El aire es una mezcla de oxígeno, nitrógeno y una pequeña cantidad de otros gases; por eso puede decirse sin cometer error apreciable, que el aire está compuesto solo por 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. De estos dos elementos, solamente el oxígeno participa en la combustión. El nitrógeno es un gas inerte que no arde, llega al hogar a baja temperatura y sale de él a la temperatura de los gases, arrastrando en forma, cierta cantidad de calor al exterior. El aire que entra directamente con las combustiones líquidos o a través de los combustibles sólidos bajo las parrillas recibe el nombre de Aire Primario. En el caso de los combustibles sólidos que desprenden materias volátiles, además del aire primario es necesario aire adicional que se introduce sobre el lecho combustible a través de una roseta que generalmente tiene la puerta del hogar o a través de la puerta entre-abierta: este aire admitido en esta forma se llama Aire Secundario. Este aire secundario en la combustión de líquidos entra por una puerta regulable bajo el quemador; en el caso del carbón pulverizado por los costados del horno. De esta manera la combustión necesita Aire Primario y Secundario y el rendimiento depende de que ambos entren en la proporción debida. Para obtener una buena combustión, no basta disponer del combustible y del aire necesario, sino que es importante que cada partícula o elemento de combustible encuentre la cantidad de oxígeno que necesita que quemar. Para ello debe existir una mezcla homogénea entre el aire y el combustible; por esta razón nunca un combustible puede quemarse bien con el aire. Este exceso no sólo depende del tipo de combustible, sino también del tipo de hogar; y puede variar de un 15 a 40%. El exceso de aire no interviene en la combustión, pero es necesario para asegurar el oxígeno que necesita el combustible ya que la mezcla aire combustible no siempre se efectúa correctamente.

GENERADORES DE VAPOR c)

Calor: La combustión no tiene lugar hasta que la temperatura en el hogar sea lo suficientemente elevada. Para que una sustancia arda es necesario que se alcance la temperatura a la cual su reacción con el oxígeno es suficientemente rápida, esta es la temperatura de Ignición o de encendido. Ante de llegar a la ignición visible hay un intervalo de temperaturas en que se efectúa la combustión lenta; por esta razón, para que empiece la combustión, debe sobrepasarse la temperatura de ignición. La alta temperatura conseguida gasificada el combustible y permite su combustión ya que ningún combustible se quema antes de haberse convertido en gas. Con el objeto de lograr altas temperaturas en los hogares, se revisten con ladrillosarcillas y materiales refractarios, que además protegen ciertas zonas no refrigeradas de algunas instalaciones como es el caso de las calderas. Estos elementos soportan altas temperaturas y absorben el calor irradiado por los combustibles ayudando a mantener la instalación y de la cantidad de material refractario que tiene. Control de una buena combustión: Todo operador de caldera debe asegurarse que la instalación encargada a su manejo está en buenas condiciones de trabajo, y si se observan algunas fallas que atentan contra la buena marcha , deben arbitrarse las medidas necesarias para repararlas. Las principales indicaciones para el control de la combustión son: a) Cada puerta que tenga el hogar, sea de carga combustible, cenicero, entradas de aire primario o secundario, etc., deben mantenerse en buenas condiciones mecánicas y de funcionamiento, que permitan abrirlas con facilidad y que cierren y ajusten bien impidiendo que el aire se filtre sin control sobre el proceso. La misma precaución debe observarse en la estructura de ladrillo, albañilería tapando las grietas o partiduras y toda entrada de aire que se filtre por partes indebidas. b) La chimenea debe tener un templador, registro o regulador de tiraje que debe ser accionado por el operador en el momento oportuno. Se ha dicho que el aire necesario para la combustión obedece a una proporción bien determinada que debe controlarse el operador y dosificarla de acuerdo a las necesidades. c) En toda combustión se producen gases que son expulsados al exterior por la chimenea y para constatar que está efectuando en forma correcta, la instalación debería contar con instrumentos que indicarán la proporción de los gases que salen al exterior y su temperatura, permitiendo al operador regular o modificar la marcha de la combustión. Corrientemente las instalaciones no cuentan con estos instrumentos y el operador debe recurrir a su experiencia para quemar correctamente los combustibles. Un medio muy común de controlar la marcha de una combustión es observando el extremo de la chimenea, sin abandonar su puesto de trabajo, con este fin se

GENERADORES DE VAPOR recomienda abrir en un sitio conveniente alguna claraboya y/o colocar algún espejo que permita ver el extremo libre. Si no hay ningún medio de observar la chimenea, la marcha de la combustión debe controlarse observando el calor de la llama y los gases en el hogar; estos deben ser brillantes y claros, en caso contrario estarán saliendo humos negros. Una buena combustión debe eliminar a la atmósfera sólo gases calientes incoloros, sin que se aprecien humos visibles. d) cuando se trabajo con un exceso de aire, no se ven humos por la chimenea pero después de cierto tiempo la combustión puede descontrolarse al bajar la temperatura del hogar por el aire en exceso. Con el objeto de poder dosificar el aire necesario puede recurrirse al siguiente procedimiento: Cuando se trabaja con todo el templador abierto, la llama y los gases son arrastrados, incluso en forma violenta y haciendo ruido. La llama se inclina hacia los conductos de gases arrastrada por el tiro; el aire que en este momento pasa puede ser la cantidad correcta como también puede in en exceso. Para constatar esto último se empieza a cerrar el control del tiraje lentamente, observando el comportamiento de llama y los gases cada vez que se modifica la posición de cierre del templador, hasta llegar a un momento en que la llama se endereza, los gases pierden velocidad y puede oscurecerse la combustión e incluso aparece humo. Al llegar a este punto faltaría aire, y se debe abrir lentamente el templador hasta lograr aclarar el fuego, agilizar la llama y eliminar el humo; esta posición del templador sería la correcta para el aire necesario. Tiempo para asegurar una buena combustión: La combustión es una reacción y toda reacción requiere de tiempo para que se efectúe en buena forma. Por esta razón el encendido debe ser lento y a medida que se va calentando el hogar se puede aumentar paulatinamente del combustible y el aire hasta llegar un momento en que es posible llegar a mantener un régimen normal de trabajo sin ningún descontrol. Las personas a cargo de instalaciones que deben dar un determinado servicio a una hora señalada, deberán por lo tanto iniciar el encendido con la anticipación necesaria para no verse obligados ha apurar los fuegos en perjuicios de una buena combustión. Teniendo el combustible en condiciones apropiadas, aire suficiente, alta temperatura en el hogar la “Combustión debe ser Buena”, en una instalación bien hecha. Toda combustión en que se observen “Humos Oscuros Visibles es una Mala Combustión” y que puede deberse a: Falta de Aire – Exceso de Combustibles o Baja Temperatura en el Hogar.

GENERADORES DE VAPOR CAPITULO VII PREVENCIÓN DE LOS ACCIDENTES EN CALDERAS Accidente es un suceso que altera el normal desenvolvimiento de una faena, pudiendo haber lesionados o no. El factor más importante en la secuencia de un accidente es la causa que puede prevenir de: 1. 2.

Condiciones inseguras Acciones inseguras

Si aplicamos estos principios de seguridad industrial a las calderas podemos decir lo siguiente: 1.

Que las condiciones inseguras se pueden interpretar como condiciones de seguridad o inseguridad en el ambiente de trabajo, y tratándose de calderas éstas dependerán: a) b) c) d) e) f)

2.

De la calidad de construcción Del estado de la caldera Del estado de los accesorios De que los accesorios sean suficientes De la calidad de la instalación Del sistema de mantención y funcionamiento de la caldera.

Que las acciones inseguras son inherentes al hombre, y en nuestro caso específicamente al fogonero, y dependerán de los siguientes factores: a) b) c)

Conocimientos suficientes para el manejo de calderas Condiciones personales tales como negligencia, intemperancia, desinterés o falta de seriedad en el desempeño de sus funciones. Conciencia de la responsabilidad de su cargo, respecto por el cumplimiento de las instrucciones y reglamentos relacionados con el manejo de calderas.

De la anterior podemos deducir que en la prevención de accidentes intervienen varios factores que cubren las diferentes etapas por las que atraviesa una caldera. Podemos ordenarlos en la siguiente manera: 1. 2. 3. 4.

de planificación y construcción de inspecciones periódicas de instrucción y operación de mantención

Causas de explosión en una caldera: Las explosiones de las calderas son desastres de gravedad extrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto número de personas. La

GENERADORES DE VAPOR caldera se rasga y aún se hace pedazos, para dar salida a una masa de agua y vapor, los fragmentos de la caldera son arrojados a grandes distancias. Estos accidentes terribles, y desgraciadamente demasiado frecuentes, fueron atribuidos, durante mucho tiempo, a causas excepcionales y fuera del alcance de la previsión, es decir, se les ha considerado como casos de fuerza mayor. Pero esto no es efectivo. El estudio de las causas de las explosiones ha permitido determinar que éstas se deben a: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Construcción defectuosa Falla de los accesorios de seguridad. Válvulas de seguridad que no abren oportunamente o no son capaces de evacuar todo el vapor que la caldera produce. Negligencia, descuido o ignorancia del fogonero. Mezclas explosivas en los conductos de humo Falta de agua en la caldera (la más frecuente) Incrustaciones masivas o desprendimientos de planchones de incrustaciones.

Cuando el nivel de agua baja, deja al descubierto las planchas que estando en contacto con el calor de la combustión se recalientan hasta el rojo. El recalentarse las planchas pierden gran parte de su resistencia, el vapor se produce en menor cantidad por la disminución de la superficie de calefacción. El vapor situado sobre el agua se recaliente mucho. Si entonces se inyecta agua o se abre cualquiera de las llaves de salida de vapor, la explosión se producirá con toda seguridad. Las incrustaciones actúan como aislantes dejando las planchas de la caldera sometidas a calor y sin contacto con el agua. De esta manera se van recalentando y perdiendo su resistencia hasta que no son capaces de resistir la presión y se produce la explosión. También pueden desprenderse capas de incrustaciones de gran tamaño, las que dejan bruscamente en contacto las planchas recalentadas con el agua, produciendo evaporación instantánea que la caldera no resiste. Reglamentación de las calderas La reglamentación sobre calderas actualmente vigente en nuestro país está contenida en los Decretos Nro. 190 de 24 de Octubre de 1983 del Ministerio de Salud Pública que fija el Reglamento de Calderas y Generadores de Vapor; y el Decreto Nro. 144 de 2 de Mayo de 1961 que establece disposición sobre Contaminación Atmosférica. Este reglamento, el N° 190, debe ser de conocimiento de todo operador de calderas y regirse de acuerdo a sus disposiciones, para el desempeño de sus funciones. El reglamento de Calderas establece fundamentalmente que: -

La autoridad competente técnica y administrativamente en lo que se refiere a las condiciones de seguridad que deben reunir las instalaciones productoras de vapor, es el Servicio Nacional de Salud (S.N.S.)

GENERADORES DE VAPOR -

La obligación de empadronar las calderas en un Registro que lleva el Servicio Nacional de Salud. Igualmente lo que se refiere a llevar un Libro de Servicio para cada caldera, y una placa de características.

-

Que el personal de fogoneros deberá acreditar su idoneidad para el manejo de calderas, por medio de un certificado de competencia.

-

Determina las Condiciones Generales de ubicación e instalación de calderas. Trata de la alimentación de agua a la caldera, de los accesorios y elementos de seguridad.

-

Se fija en este Reglamento las inspecciones y pruebas de las condiciones de seguridad de las calderas, y las ocasiones en que se ejecutarán.

-

Referente a inspecciones efectuadas por inspecciones del S. N. S., se establecen: a) Inspecciones Externas: Estando la caldera en funcionamiento. Se efectuará, a lo menos, una vez al año. Esta inspección tiene por objeto constatar el funcionamiento general de la caldera y principalmente de los accesorios de seguridad. b) Inspecciones Internas: Exige la paralización previa de la caldera y su preparación adecuada (enfriamiento, limpieza de incrustaciones, hollín, etc.). Se efectuará a intervalos no mayores de cuatro años. Esta inspección minuciosa tiene por objeto principal constatar que el estado de la plancha en su interior, o sea, las corrosiones o picaduras internas; como también, comprobar la cantidad de incrustaciones y de formación existentes en las planchas. Referente a pruebas que deben realizarse en una caldera, indica las siguientes: a) Prueba Hidráulica: Consiste en llenar la caldera totalmente de agua y levantar presión lentamente hasta subirla a una presión de “a,5 veces la presión de trabajo” (o sea, un 50% sobre su presión de trabajo). Deberá mantenerse la presión a lo menos 15 minutos sin bajar. Se deberá revisar durante este lapso la caldera para constatar que no hay filtración ni formación de gotas de agua de diámetro superior a 1 mm. No se aceptará fugas en las soldaduras eléctricas. Se bajará la presión en forma lenta y uniforme. Para efectuar la prueba hidráulica es necesario preparar la caldera aislándola de todo consumo de vapor y de agua mediante flances ciegos o tapa-gorros. Se limpiarán parrillas y conductos de humo. Se retirará la válvula de seguridad y se colocará un tapón en su lugar. b) Prueba de vapor: Después de la prueba hidráulica se efectuará con la caldera en funcionamiento, la regulación de la válvula de seguridad a una presión que no exceda “más de 6%” la presión de trabajo autorizada de la caldera.

GENERADORES DE VAPOR c) Prueba de Acumulación: Se efectuará en las nuevas instalaciones de vapor. Consistente en verificar si la válvula es capaz de eliminar la totalidad del vapor producido por la caldera a máxima capacidad de trabajo, con la válvula de salida de vapor cerrada. -

Se establece en el Reglamento de Caldera que los generadores de vapor deberán estar al cuidado constante de, a lo menos, una persona responsable. El fogonero no deberá abandonar el recinto de la sala de caldera al efectuar el cambio de turno; esperará allí su relevo.

-

Se fija en este reglamento sanciones a las infracciones en este Decreto, las que consisten en multas o clausuras de la caldera. El Decreto N° 144 sobre Contaminación establece que todo equipo de combustión deberá estar enrolado en el Servicio Nacional de Salud. Esto incluye a calderas industriales, calderas para calefacción, para agua caliente, y a los incineradores.

-

Establece también este Decreto la prohibición de echar hollín y cenizas volantes a la atmósfera desde estos equipos

-

Fija, además, la obligación de que estos equipos sean manejados por personal con Certificado de Competencia.

GENERADORES DE VAPOR CAPITULO VIII MANEJO DE UNA CALDERA Puesta en Servicio: Una vez realizadas todas las inspecciones y pruebas a una caldera se procede a ponerla en marcha. Para ello se debe proceder de la siguiente manera: 1.

Efectúese una revisión general de toda la instalación con el fin de imponerse de cualquier anormalidad que se haya producido o que no sea correcta y pueda significar peligro o mal funcionamiento.

2.

Contrólense los accesorios de alimentación de agua, tanto los de servicio como los de reserva. Verifique que el tubo de nivel marque efectivamente el nivel de agua que hay en la caldera.

3.

Revise el fogón y prepárense para iniciar la combustión.

4.

Abrase el grifo de nivel superior, para permitir la salida del aire acumulado en el interior de la caldera.

5.

Llénese la caldera con agua hasta un nivel de 2 a 3 centímetros, inferior al trabajo, espacio que se deja para la dilatación del agua al calentarse (después se ajusta al nivel correspondiente).

6.

Enciéndase el fuego, cuidando de ir aumentándolo en forma lenta para lograr una buena combustión.

7.

Una vez que se empiece a producir vapor, debe cerrarse el grifo de nivel.

8.

Verifíquese el buen estado de los accesorios de seguridad, para que en caso de emergencia cumplan con su objetivo.

Durante el funcionamiento de la caldera debe cuidarse de alimentar en forma regular con agua y combustible. No debe permitirse que el nivel de agua baje demasiado, ni suba más de lo normal. En el primer caso exigirá una alimentación de agua muy prolongada por lo que se enfría la caldera y hace bajar la presión; en el 2° caso el vapor que se produce es muy húmedo. El exceso de carga en el hogar se traduce en pérdidas de combustible y obstrucción de los conductos de humo. Debido al exceso de combustible en el hogar pueden producirse explosiones en las zonas de combustión y conductos de humo de la caldera. Para obtener una buena combustión en un hogar con quemadores de petróleo es necesario:

GENERADORES DE VAPOR 1.

Que haya una correcta presión y temperatura del petróleo, a fin de obtener una perfecta atomización.

2.

Un correcto ajuste de quemador en el registro de aire (cavidad donde va colocado el quemador)

3.

Un correcto ajuste de las puertas del registro de aire para admitir solamente la cantidad necesario de aire para la combustión. Normalmente los quemadores que están trabajando deben tener abiertas las entradas de aire. Las puertas de aire de los quemadores que están fuera de servicio deben estar cerradas para prevenir la entrada de aire frío al hogar.

4.

Un correcto control de tiraje forzado, a fin de entregar el correcto volumen de aire, con las puertas de aire de los quemadores completamente abiertas.

5.

Una limpieza periódica de los filtros de petróleo, para evitar que el sedimento pase a obstruir o escoriar los atomizadores.

En general en estos hogares la eficiencia depende exclusivamente de la buena dosificación del aire. Mantención de la presión: Cuando el consumo de vapor es constante la presión no tendría por que variar salvo por descuidos del fogonero en la atención de la caldera, si la presión ha subido el fogonero deberá cerrar un tanto el cenicero y dejar quieto el fuego; también se puede ayudar a bajar la presión inyectando agua, cuando sea posible. Tratándose de un consumo variable, si éste aumenta y el fogonero nota un descenso considerable de la presión deberá aumentar la cantidad de combustible, pero sin olvidar que debe también aumentar la cantidad de aire, abriendo más el registro. Por lo tanto, cuando no se disponga de mayor tiraje no se puede seguir forzando el fuego sin correr el riesgo de dejar de tener una buena combustión. Purga de la caldera: Para eliminar los barros que se forman en el interior de la caldera mientras está en funcionamiento, debe purgarse, abriendo la llave de purga o descarga; mientras la llave está descargando debe mantenerse abierta, a fin de que los barros puedan ser expeditos y no retenidos por una salida estrecha. De preferencia la purga debe hacerse en la mañana porque durante el período de calma de la noche se ha precipitado la mayor parte de los barros. En caso de funcionamiento de tres turnos diarios, conviene purgar en la tarde. Por lo menos una vez al fía deben purgarse las calderas, dependiendo una mayor frecuencia de la calidad del agua de alimentación. La medida de la purga se controla por el descenso del agua en el tubo de nivel (1 pulgada generalmente por purga). Detención de las calderas: Cuando se va a proceder a parar una caldera deberá inyectarse agua para dejarla con un nivel más o menos normal. En las calderas revestidas con mampostería de ladrillos, es especialmente importante esta precaución, a fin de que la caldera no se vaya a secar en la noche por efecto del calor

GENERADORES DE VAPOR acumulado por la mampostería. Puede presentarse el caso de que si se ha dejado la caldera con una presión pequeña, esta haya aumentado y a su vez el nivel haya subido; este hecho, que parece a primera vista inexplicable, se debe a que al inyectar agua antes de parar, la caldera ha quedado con agua más o menos fría. Durante la noche la mampostería entrega el calor que ha acumulado calentando agua, que se dilata, aumentado de volumen y generando algo de presión. Embancamiento del fuego: Cuando el fuego se embanca, o sea se ha apagado, no debe olvidarse que una cantidad suficiente de aire debe seguir pasando a través de la instalación para evitar la acumulación de gases combustibles y posibles explosiones al quemarse en forma instantánea. Es indispensable en estos casos abrir el registro y puerta del hogar. Limpieza de las calderas: La caldera debe limpiarse cuando al abrir el grifo de prueba ubicado a nivel normal del agua, bota agua a intervalos, pareciendo que “escupe”. Ello indica que la caldera tiene espuma y lodo en suspensión. La limpieza se hace por las puertas de hombre. Hollín: El principal componente del hollín puro, o negro de humo, es el carbono. La composición del hollín varía considerablemente, dependiendo de la calidad y clase de combustibles empleado; ácido y alquitranes mezclados con el negro de humo con los constituyentes normales del hollín de las calderas. Debido principalmente a su estado esponjoso, el hollín es cinco veces más aislador que el asbesto; por esta razón el rendimiento de una caldera, y en especial su capacidad de vaporización, baja rápidamente cuando se deja acumulara hollín, aunque sea en pequeñas cantidades. Si el hollín no se remueve a menudo, el carbono se quema en parte y además tiende a formar una especie de cemento que se pega fuertemente a las superficies metálicas. La limpieza se efectúa mediante chorros de vapor, empleando mangueras y pistones en las calderas pequeñas y red de cañerías y pistones móviles en las grandes, o diariamente con escobillones especiales de acero. Conservación de las calderas en receso: Para impedir las corrosiones producidas en las calderas por el aire húmedo, en los períodos de descansos prolongados, lo mejor es llenarla con agua nueva, vigilando constantemente que permanezca llena por completo. El agua que se coloque a la caldera debe ser básica, lo que se asegura colocando el agua potable, cal o potasa, en la proporción adecuada. Al dejar la caldera completamente vacía, debe cubrirse interiormente con los barnices que para este objeto se expenden en el comercio. Al vaciar una caldera, para evitar enfriamientos bruscos y recalentamientos del metal, debe tomarse las siguientes precauciones: 1.

Apagar el fuego, haciendo caer en el cenicero el carbón incandescente.

2.

Cerrar la puerta del hogar, la del cenicero y el registro, con el objeto de impedir la entrada de aire demasiado frío.

GENERADORES DE VAPOR 3.

Aguardar a que la mampostería se haya enfriado, pues de otra manera los metales podrían recalentarse en su parte superior y la dilatación dispareja daría lugar a filtraciones.

4.

Vaciar la caldera, enfriando paulatinamente el agua. Con el fin se introduce agua fría mientras la llave de purga se mantiene abierta. Esta operación tiene por objeto impedir el endurecimiento de los depósitos de sales que tienen la tendencia a formarse sobre las planchas demasiado calientes.

Emergencias operaciones: Las más frecuentes son: Aumento súbito de la presión: Esto sucede generalmente cuando se disminuye el consumo de vapor, o cuando se descuida el fogonero y hay exceso de combustible en el hogar. Es casi siempre fácil reducir la presión reduciendo el tiraje por el cierre parcial del registro y abriendo un poco la puerta del hogar. No conviene abrirla totalmente para evitar enfriamientos bruscos,. Si el nivel lo permite, puede inyectarse agua fría. Con quemadores de petróleo el problema es más fácil de solucionar, pues se les apaga y se ayuda con inyección de agua o abriendo un poco la puerta del hogar. Producción de vapor difícil: Cuando una caldera produce vapor con dificultades, puede deberse a una causa accidental o permanente, que podría ser la construcción defectuosa, o la mala disposición de la caldera o del hogar. El emparrillado puede ser demasiado pequeño; los conductos de humo demasiados largos y estrechos y poseer codos que dificulten la circulación; la chimenea puede ser baja y sobre todo estrecha. En todo caso el único remedio estaría en construir las partes defectuosas. Cuando la producción de vapor es difícil por una causa accidental puede deberse a: una mala combustión o que el emparrillado esté obstruido por escorias. Los conductos de humo pueden estar obstruidos por cenizas; cuando no se ha hecho una extracción de fondo; o por mal tratamiento de agua, el que consecuentemente ha creado incrustaciones en los tubos. Descenso excesivo del nivel de agua: Es la falta más grave que se puede presentar. Si este nivel no ha descendido más allá del límite permitido y visible, bastará con alimentar rápidamente, pero si el nivel ha bajado demasiado y no es visible en el tubo de nivel, “debe considerarse seca la caldera” y proceder a quitar el fuego, cerrar el consumo de vapor y dejar enfriarse lentamente la caldera. Antes de encenderla nuevamente se deberá inspeccionar en forma completa y detenida. El descenso del nivel de agua es particularmente muy rápido en las calderas que tienen reducido volumen de agua y presentan gran superficie de calefacción, como las ignitubulares. Por esto conviene estar siempre atento a la normal y continua alimentación de agua.

GENERADORES DE VAPOR INTRODUCCIÓN En el presente manual se estudiará las materias relacionadas con la generación de vapor y los aspectos técnicos más importantes relativos a la operación, mantención y seguridad de funcionamiento de generadores de vapor, se ha considerado en un capítulo especial al tratamiento de agua para la alimentación de Calderas, debido a la importancia que esta tiene en la correcta operación y mantención de Calderas. Antes de entrar de lleno al tema, revisaremos algunos conceptos básicos, para los cuales haremos una definición resumida de ellos. MASA

:

Es la cantidad de materia que contiene un cuerpo y la unidad de medida es el KG-MASA

PESO

:

Es la fuerza que ejerce un cuerpo sobre otro que lo soporta, y ejerce una fuerza porque esta siendo atraído hacia el centro de la tierra por la fuerza de gravedad. En el uso diario la distinción entre peso y masa tiene poca importancia, porque la gente generalmente no habla de masa, sino de peso y este también se dará en Kgs.

FUERZA

:

Es todo esfuerzo que es necesario hacer para “tirar o empujar” un cuerpo, esto implica que se encontrará una resistencia al movimiento, la unidad de medida es el Kg. de fuerza.

PRESIÓN

:

Se denomina presión (P) al efecto producido por una fuerza (F) sobre una superficie determinada (S). Esto es: P = F S

Son unidades de presión el Kg/cm2 ; Lb/pulg2. Atmósfera, Mts. Columna de agua, milímetros columna de mercurio y Bar. De acuerdo a la definición de presión si decimos 10 Kg./cm2, significa que estamos aplicando una fuerza de 10 Kg. en la superficie de 1 cm2. Algunas equivalencias entre las unidades de presión son: 1 Atm. = 1,033 Kg/cm2 = 14,7 Lb/pulg2 = 10,33 Mts. cal. Agua. 1 Kg/cm2 = 14,22 Lb/pulg2 = 1,02 Bar. 1 Lb/pulg2 = 0,07 Kg/cm2 1 bar = 0,98 Kg /cm2 = 0,936 Atm = 14,5 Lb/pulg2

GENERADORES DE VAPOR Los instrumentos utilizados para medir presión de un fluido encerrado dentro de ciertos límites, se llaman manómetros y entre los más comunes encontraremos los de tubo de BOURDON y de diafragma (ver fig.) TEMPERATURA: La temperatura es un índice de la energía que poseen los cuerpos, así podemos establecer que todo cuerpo que tiene cierta temperatura, también tiene una cantidad de energía que podría ceder, y por lo tanto los únicos cuerpos que no tienen energía para ceder son los que están a –273°C Las unidades de medida de temperatura comúnmente usadas son el grado Celsius (°C) y el grado FAHRENHEIT (°F), la equivalencia entre estas dos unidades es: °F = 9 . 5

°C +

31

°C = 5 . (°F - 32) 9

Los instrumentos que utilizamos frecuentemente para medir temperatura son: Termómetros, Pirómetro (ver fig.) Termómetros de Columna y Dial, Pirómetros lectura directa e indirecta. CALOR: Se entiende por calor la energía que fluye en virtud de una diferencia de temperatura, también se dice que es una forma de energía. Son unidades de energía: Kilocaloría, B.T.U., Kilo-Joule (S.I.) KILO-CALORIA: Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 Kg. de agua. ENERGIA: La capacidad para producir un efecto se denomina energía, y este efecto por pequeño que sea como por ejemplo un ruido tenue, requiere de energía. La energía la encontramos de diferentes formas y puede transformarse de una a otra, así tenemos que, la energía química de un combustible podemos transformarla en energía térmica quemando este combustible. Las unidades de energía de los combustibles están expresadas en Kilo-Calorías/Kg. De acuerdo a lo anterior tenemos que los diferentes combustibles poseerán distintas cantidades de energía a esto se les llama poder calorífico. PODER CALOFICO DE ALGUNOS COMBUSTIBLES LEÑA

3.000

a

3.888

KILO CALORÍAS POR KG.

CARBONCILLO

3.500

a

6.500

KILO CALORÍAS POR KG.

CARBON ARNEADO

6.000

a

7.000

KILO CALORÍAS POR KG.

PETROLEO

8.500

a

10.500 KILO CALORÍAS POR KG.

KEROSENE

10.5000 a

11.000 KILO CALORÍAS POR KG.

GAS LICUADO

12.000

KILO CALORÍAS POR KG.

GENERADORES DE VAPOR TRANSMISIÓN DE CALOR: Como hemos dicho anteriormente el calor fluye de una fuente de alta, a una de baja temperatura. Las formas de transmisión de calor son: “Conducción o contacto directo”, “conversión y radiación”. -

Transmisión de Calor por contacto directo o conducción se produce cuando ambas fuentes se encuentran en contacto Ej. Fierro caliente en contacto con otro cuerpo.

-

Transmisión de Calor por conversión es cuando la transferencia de calor se produce por circulación del fluido (Aire, agua, etc.) llevando esto consigo el calor. Ej. Gases calientes en Calderas, circulación de agua durante la ebullición.

-

Transmisión de Calor por radiación se produce por ondas electromagnéticas, que son parcialmente reflejadas o absorbidas por los objetos sobre los cuales caen. Ej. Rayos solares, radiación de llamas, etc.

SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN: Es la superficie que se encuentra en contacto con el agua por un lado y por el otro con los gases, medida en m2 por el lado de los gases.

GENERADORES DE VAPOR TEORIA DEL VAPOR

¿Por qué utilizamos vapor? Para los múltiples procesos en todas las ramas de la Industria, simplemente porque el vapor es la manera más adecuada y económica de transportar grandes cantidades de energía, es fácil de producir, se obtiene del agua elemento económico y abundante en la mayor parte del mundo, además presenta la ventaja que puede controlarse cómoda y fácilmente. GENERACIÓN DE VAPOR DE AGUA: Cuando se genera vapor en una Caldera, ocurren fenómenos similares a los que ocurren en la tetera pero lógicamente, en una escala más elaborada. La diferencia más importante es que en la Caldera podemos generar vapor a presión, y esta dependerá de las necesidades del proceso, o de las características de diseño de la Caldera. Si al agua se le comunica energía, esta varía su “Entalpía” y su estado físico, a medida a tiene lugar el calentamiento, la temperatura del fluido aumenta y regularmente su densidad disminuye. En la Caldera el calor generado en el hogar y superficie de calefacción se transmite al agua y hará aumentar la entalpía hasta llegar a la temperatura de ebullición, a este primer paso de la generación de vapor lo llamaremos “ENTALPÍA DEL LIQUIDO”. Para asegurarnos que se ha comprendido veamos el siguiente ejemplo. Supongamos que la temperatura del agua de la Caldera antes de comenzar a transmitirle calor sea de 20°C (Decimos entonces que tiene una Entalpía del líquido de 20 Kcal/Kg. Agreguemos calor hasta subir su temperatura a 100°C en que comienza la ebullición, para lograr esto hemos necesitado de 80kcal/Kg. (esto es a presión atmosférica 1,033 Kg/cm2). La Entalpía del líquido (hf) es entonces de 100 Kcal/Kg. de agua. ENTALPIA DE EVAPORIZACIÓN (hfg) Calor latente. Si continuamos el ejemplo anterior al agua de 100°C le continuamos agregando color comenzará la evaporización o cambio de estado de líquido en vapor sin que la temperatura aumente. Esto se conoce como “ENTALPIA DE EVAPORIZACIÓN”. La entalpía o calor necesario para evaporar totalmente 1 Kg. de agua es de 539 Kcal. ENTALPIA DE VAPOR SATURADO: Como hemos visto el vapor generado tiene dos tipos de entalpía, cuyas cantidades están expresadas en Kcal/Kg.

GENERADORES DE VAPOR La suma de estas entalpías (hf + hfg) es lo que llamamos Entalpía de Vapor Saturado (hg) y tiene un valor de 639 Kcal/Kg., a la presión atmosférica, para presiones distintas de la Atmosférica estos valores varían y estos se pueden obtener de las tablas de vapor. PRESION DE VAPOR: Por ser la Caldera un recipiente cerrado de una capacidad en volumen determinado, si se sigue generando vapor en su interior, este ocupará todo el espacio disponible dando origen a lo que llamamos “presión de Vapor”. El aumento de la presión en la Caldera producirá un fenómeno en que el agua necesitará una mayor cantidad de calor y una mayor temperatura para comenzar la ebullición, por lo tanto la entalpía del líquido (hf) será mayor y la entalpía de Vaporización (hfg) ira disminuyendo a medida que la presión aumenta llegando a ser hfg = 0 a la presión aproximada de 222 Kg/cm2 y también podemos apreciar que a esta presión el agua cambia instantáneamente de líquido a vapor. La presión del vapor puede darse como presión “Manométrica” o bien como “Presión Absoluta”. La primera es medida a partir de la presión atmosférica hacia arriba (1,033 Kg./cm2) y la presión absoluta es la medida desde lo absoluto, quedando ésta formada por la suma de la presión manométrica más la atmosférica. Pa = Pm + P Atmosférica VOLUMEN DEL VAPOR: El volumen ocupado por una masa de vapor depende de la presión. Si tenemos 1 K. De agua (que ocupa el volumen de un litro) y lo convertimos en un Kg. de vapor (a la presión atmosférica el espacio ocupado por esta masa de vapor será de 1673 litros, en cambio a la presión de 15 Kgcm2, solo será de 125 litros por cada Kg., de vapor, podemos deducir entonces que a medida que aumenta la presión, el volumen ocupado por el vapor disminuye (ver tablas de vapor) CALIDAD DEL VAPOR: Hasta ahora solo nos hemos referido al vapor saturado, pero en su práctica existen los siguientes tipos de vapor: Vapor Saturado Húmedo, Vapor Saturado Seco y Vapor Recalentado. El Vapor Saturado, es el que se genera en contacto con el agua y tiene partículas de agua en suspensión. Vapor Saturado Seco, es el producido en condiciones similares pero libre de partículas de agua en suspensión, obtener este vapor es muy difícil, podríamos decir que es imposible solo se puede lograr vapor saturado con un mínimo de partículas de agua en suspensión. No obstante debemos saber que las tablas de vapor están referidas a lo que llamamos vapor saturado seco. TITULO DEL VAPOR: La calidad o grado de sequedad del vapor se denomina TITULO DE VAPOR y corresponde a la fracción de vapor saturado seco que existe en cada Kg. de Vapor que estamos calificando.

GENERADORES DE VAPOR El título de vapor lo designamos por “X” y este afecta de la siguiente manera a la Entalpía total del vapor. hg = hf + xhfg Como se aprecia en la fórmula el título del vapor afecta directamente a la Entalpía de vaporización debido a que tiene un valor que va de 0 a 1 de acuerdo al grado de humedad que contenga el vapor (Ejemplo, sí tenemos un vapor de Título 0,9 indica que el 90% es vapor seco y el 10% de humedad es partículas de agua. VAPOR RECALENTADO: El vapor generado en la caldera aún en el caso que fuera de buena calidad, tiene una cierta humedad y si a este vapor se le continúa agregando calor lo primero que ocurrirá es que la humedad presente será evaporada. Esta primera cantidad de calor adicionada al vapor será Entalpía de vaporización. Pero si aún continuamos agregando calor, el vapor aumentará su temperatura manteniendo la misma presión, pasando a ser vapor recalentado. Este proceso de calentamiento debe efectuarse en aparatos separados de la caldera misma y reciben el nombre de recalentadores de vapor. En estas condiciones especiales el vapor puede tener una mayor temperatura que la correspondiente a una presión determinada en las tablas de vapor. CONDENSACIÓN DEL VAPOR: El vapor al entregar el calor correspondiente a la entalpía de vaporización, debe condensarse (transformarse nuevamente en agua caliente). Apenas el vapor abandona la fuente que lo ha generado, comienza inmediatamente a ceder su entalpía en forma de calor, a cualquier superficie o sustancia que esta más fría que él. Al entregar el vapor su entalpía de vaporización el agua formada estará en el punto de ebullición o sea tan caliente como el vapor saturado. ¿Por qué entonces la preocupación de eliminar el condensado del vapor? Porque si recordamos el vapor saturado a presión atmosférica tiene para ceder 539 Kcal/Kg., hasta condensarse y el agua saturada a 100°C solo tiene 100 Kcal/Kg. y por cada Kcal/Kg. que ceda bajará su temperatura en 1°C. EFECTO DEL AIRE EN LA TRANSFERENCIA CALORICA El aire con sus propiedades aislantes excelentes, puede cubrir las superficies de transferencias calóricas a medida que el vapor se condensa y reducir en gran medida la eficiencia. Una cámara que contenga vapor y aire, entrega solo el valor de la presión parcial, no de la presión total. Basándose en esta última propiedad del vapor en que en algunos equipos que necesitan una presión efectiva determinada, pero no necesitan la temperatura que corresponde a la misma presión, se utiliza mezclas de vapor-aire en proporciones necesarias para encontrar la presión y temperatura deseada. DRENAJE DEL CONDENSADO: Como hemos visto anteriormente la eliminación del condensado es uno de los factores importantes, para que una instalación que utiliza vapor sea eficiente. El método más simple para eliminar el condensado sería instalar un grifo o válvula de drenaje pero esto requiere de alguien que se encargue de controlar la abertura de

GENERADORES DE VAPOR este grifo, al mismo régimen a la cual el condensado se va formando mientras el proceso va cambiando de consumo. Si se pierde el control el efecto final sería. 1.- RETANCION DEL CONDENSADO (Inundación) 2.- PERDIDA DE VAPOR VIVO. Para evitar estos inconvenientes se necesita una válvula que trabaje automáticamente y que permita que el condensado salga al mismo régimen al que se va formando. Esta válvula es conocida con el nombre de “TRAMPA DE VAPOR”. Las trampas para vapor son válvulas autorregulables, que permiten descargar el condensado sin pérdida de vapor vivo. Deben estar por lo tanto, capacitadas para distinguir el vapor del condensado. Existen cuatro grupos principales de trampas: TERMOSTATICAS

Distinguen el condensado de vapor por las diferencias de temperaturas, las cuales operan sobre un elemento termostático que acciona la válvula.

MECANICAS

Este grupo distingue el condensado del vapor mecánicamente por la acción de un flotador o balde.

TERMODINÁMICAS

Este grupo funciona por la acción de la temperatura y la velocidad del vapor, siendo esta última mucho más rápida al pasar a través de la trampa.

MISCELÁNEAS

Existen varios tipos y su funcionamiento es distinto a todas las anteriores.

TRAMPAS TERMOSTATICAS: En la figura (1) se muestra una trampa termostática de presión equilibrada. El elemento termostático (A) es un tubo de metal sellado en ambos extremos, el tubo tiene forma de fuelle corrugado de manera que se contraerá o extenderá por efecto del calor aplicado ya que en el interior esta lleno de un solución de punto de ebullición inferior al agua. El movimiento de este fuelle producirá la abertura o cierre de la válvula “B” en el asiento “C”. Variando 1 mezcla con la cual se llenan los fuelles se puede obtener diferentes temperaturas de descarga. En la figura 2 y 3 se indican trampas de expansión bimetálicas en las cuales el movimiento de la válvula se obtiene al doblarse una o varias barras compuestas de dos metales de coeficiente de dilatación diferente, y al enfriarse vuelven a tomar la forma original, de estas trampas existen en variadas formas.

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR TRAMPAS MECANICAS TIPO FLOTADOR: En la trampa de flotador, una esfera hueca flotante unida a un brazo, que sube al acumularse el condensado dentro de la trampa y el movimiento ascendente del flotador permite la abertura de la válvula, y por lo tanto la descarga del condensado. Pueden tener venteo de aire manual o termostático como se indica en la fig. 4. TIPO BALDE ABIERTO: Para operar una válvula similar al tipo anterior puede emplearse un balde abierto en lugar de un flotador. Al estar vacío el balde flotará en el condensado y se hundirá por su propio peso al llenarse de condensado permitiendo la abertura de la válvula B fig. 5 TIPO BALDE INVERTIDO: En este tipo de trampa, la fuerza de la presión del vapor entra en un balde invertido y provoca que este flote en el condensado, pero al seguir subiendo el condensado sobrepasa el nivel de flotación y el balde se hunde permitiendo la descarga del condensado. Hasta que nuevamente haya presencia de vapor el que impulsará el balde hacia arriba, cerrando la válvula. Cuando la trampa está fría la válvula permanece abierta permitiendo la salida del aire del sistema (fig. 6)

GRUPO TERMODINÁMICO En las trampas termodinámicas (Fig. 7) lo primero que ocurre es que el aire y el condensado frío que ocupa la línea a presión y temperatura baja pasan a través de los orificios de entrada y salida, al aumentar la presión, esta empuja al condensado a pasar mas rápidamente, al producirse una caída de presión se produce revaporizado el que se filtra a la parte superior del disco, bajando el disco bruscamente, por la diferencia de superficie en la que se aplica la presión, originando una fuerza superior en la parte de arriba del disco, cerrando el paso, habiendo posteriormente la presencia de condensado más frío condensa el vapor sobre el disco con lo que desaparece la presión sobre el disco permitiendo la pasada del condensado hacia la descarga hasta que nuevamente llegue vapor a la trampa. Las trampas termodinámicas son de dimensiones pequeñas y sin embargo tienen gran capacidad de evacuación de condensado pueden trabajar en un rango amplio de presiones. Se pueden utilizar con vapor recalentado y no son dañadas por los golpes de ariete. La mayor dificultad de este tipo de trampas es la suciedad del vapor que daña el asiento del disco. Para evitar este problema debe instalarse filtro antes de la trampa y bien este puede venir incorporado en ella. En el grupo misceláneo, las más importantes son las de Impulso y Laberinto Fig. 3, 9.

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR VAPOR FLASH O REVAPORIZADO Cuando el condensado caliente bajo presión se rebaja a una presión menor, parte de él se re-evapora transformándose en lo que se denomina vapor-flash o revaporizado. Si recordamos la formación del vapor bajo presión, la temperatura de ebullición es superior a los 100°C (dependiendo de la presión) y cuando se rebaja la presión, la temperatura de ebullición baja pasando el excedente del calor sensible (Entalpía del líquido) a calor latente (Entalpía de evaporización) esta sería la parte que se ha revaporizado. La importancia de este revaporizado es que contiene unidades de calor que pueden utilizarse para operación de la planta, y que de no ser así se perderían. El porcentaje de condensado que se transformará en vapor flash, puede determinarse como sigue: hf2 - hf1 % VAPOR FLASH = _________________ x 100 donde hfg1 hf2 = Entalpía del líquido a la presión mayor hf1 = Entalpía del líquido a la presión menor hfg1 = Entalpía de vaporización a la presión menor. Por ejemplo, si un equipo usa una presión de 7 Kg./cm2 y es drenado por una trampa de descarga de condensado a una temperatura de 169°C, pero sólo puede permanecer a esta temperatura mientras este sometido a la presión de 7 Kg./cm2. La trampa descarga el condensado a una línea principal de retorno de condensado a la presión atmosférica, y a esta presión, el punto de ebullición del agua es 100°C. De modo que el agua de 169°C esta siendo descargada a una condición donde no puede existir agua a una temperatura superior a 100°C y lo que sucede es que el calor excedente en el agua a alta temperatura se convierte en Entalpía de Vaporización, re-evaporando parte del agua, formando lo que hemos llamado vapor flash. Si seguimos analizando el ejemplo tendremos: 171,3 - 100 % VAPOR FLASH = _________________ x 100 = 13,2 539,4 Esto nos demuestra que por cada 100 Kg. de condensado que es rebajado de la presión de 7 Kg./cm2, a presión atmosférica obtendremos 13,2 Kg. de vapor flash que tiene las mismas características que el vapor generado a presión atmosférica o sea calor total hg de 639 cal/g.

GENERADORES DE VAPOR COMBUSTIBLES Y SU COMBUSTIÓN Los combustibles comerciales en su estado natural en combinaciones preparadas, pueden ser, sólidos, líquidos y gases. Los combustibles sólidos se encuentran en carbonos, lignitos, coques, maderas y residuos procedentes de muchos procesos de fabricación. Los combustibles líquidos son: Alcoholes, petróleo y sus derivados incluyendo las breas residuales y los gases que pueden ser naturales y los fabricados del carbón. Los componentes básicos de los combustibles son: Carbono (C) e Hidrógeno (H) el Azufre también forma parte de ellos pero más bien se le considera una impureza indeseable. CARBON: Es una mezcla de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, agua y cenizas, que existió como materia vegetal y quedo enterrado, posteriormente por la acción del tiempo, presión y temperatura los vegetales se transformaron en carbón. ANÁLISIS QUÍMICO DEL CARBON: Debido a que el carbón en su estado natural no es una sustancia pura ni tampoco uniforme, no tiene una fórmula química definida y si se desea saber su composición debe analizarse químicamente para llegar a determinar su poder calorífico. Los componentes que se analizan son: HUMEDAD: Superficial e inherente CARBONO TOTAL: Que es la suma del carbón fijo y las, materias volátiles, el primero es el que no destila al calentarlo y constituye el carbón coque, y las materias volátiles que se liberan al calentar el carbón y da como resultado un Cx Hy cualquiera. HIDRÓGENO: Puede existir como constituyente de las materias volátiles y la humedad inherente. OXIGENO: Todo el oxígeno contenido en el carbón se supone que se haya combinado con el hidrógeno en forma de agua. NITRÓGENO: La mayoría de los carbones tienen pequeñas cantidades de nitrógeno, y que por ser inerte no produce ningún efecto perjudicial solo hay que considerar que su peso debe ser descontado del total del carbón usado. AZUFRE: Todos los carbones contienen alguna cantidad de azufre y los % que el carbón tiene van de 0.5 % a 4%, resultando perjudicial para las instalaciones % superiores al 1,5%. CENIZAS: Es el residuo que queda después de quemar la muestra a 1.000°C hasta que no haya pérdida de peso. En forma práctica se pueden determinar algunos componentes del carbón, cuando no es posible hacer un análisis químicos y se llama análisis inmediato, consiste en determinar:

GENERADORES DE VAPOR La Humedad Superficial e inherente calentando la muestra a 32°C para la primera y 105°C para la segunda, las materias volátiles se determinan poniendo la muestra en un crisol y calentando a 955°C, durante 7 minutos y se continúa el análisis obteniendo los distintos componentes por diferencias. CENIZAS: Residuo incombustible, se determina en forma similar al análisis químico. PETROLEO: Es una mezcla de hidro-carburos, cada uno de los cuales tiene sus propias características físicas y químicas, efectuando una destilación se puede obtener en forma separada cada uno de ellos. LA COMPOSICIÓN DE LOS HIDROCARBUROS: Varía desde los muy livianos como el C2H4 (Metano, gas), medios como el C8 H18 (Iso-Octano, Bencina) y pesados como C18 H38 (Octa-Decano, Fuel Oil) LOS ACEITES COMBUSTIBLES (FUEL OIL): Son aceites residuales que no se han evaporado durante el proceso de refinado, estos combustibles necesitan ser recalentados para trasegarlos con bombas y atomizarlos en quemadores de Calderas. COMBUSTIÓN: Es sinónimo de oxidación y consiste en la unión química de un combustible con el oxígeno, esta puede ser rápida (explosión o detonación) y lenta dando origen a las llamas que pueden a su vez ser largas o cortas según el combustible que se quema. Se dice que una combustión es completa cuando el combustible es totalmente oxidado y este entrega toda su energía, y se expresa como sigue: NC + O2

CO2

La combustión incompleta puede deberse a: -

Insuficiencia de Oxígeno Mezcla imperfecta entre el combustible y el oxígeno Temperatura demasiado baja para mantener la combustión Ejemplo combustión incompleta C + ½ O2 = CO Monóxido de Carbono (Tóxico)

La combustión del carbono en el aire esta representada por la siguiente relación: C + O2 + 3,76 N2 = CO2 + 3,76 N2

GENERADORES DE VAPOR GENERADORES DE VAPOR Se entiende por Generador de Vapor al conjunto formado por la Caldera y una combinación de accesorios que sirven para mejorar las condiciones de operación de seguridad y de eficiencia del conjunto en general. Pero debido a que en forma generalizada a los Generadores de Vapor, aún teniendo los accesorios mencionados se les llama simplemente “CALDERA” nosotros también utilizaremos esta denominación en el desarrollo de este curso. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Existe una larga clasificación de las Calderas atendiendo a una serie de factores, como ser: posición, instalación, ubicación del hogar, pass de circulación de gases, forma de calefacción, según la presión y de acuerdo al volumen por unidad de superficie de calefacción. Pero en general puede considerarse de mayor importancia la siguiente clasificación y según la forma de calefacción: -

Cilíndrica de hogar exterior

-

Cilíndrica de hogar interior o tubo hogar

-

De tubos de humo o piro tubulares

-

De tubos de agua o acuotubulares

-

Mixtas o piro-acuotubulares

En esta clasificación los tubos pueden tener las posiciones horizontales, inclinadas, verticales y curvas. b) DE ACUERDO A LA PRESION -

Baja presión (hasta 2,5 Kgs./cm2)

-

Mediana presión (entre 2,5 y 10 Kgs./cm2)

-

Alta presión (superiores a 10 Kg./cm2)

c)

DE ACUERDO CALEFACCIÓN

AL

VOLUMEN

POR

-

Gran volumen (superiores a 150 Lts./M2)

-

Mediano volumen (entre 70 y 150 Lts./M2)

-

Pequeño volumen (inferior a 70 Lts./M2)

UNIDAD

DE

SUPERFICIE

DE

GENERADORES DE VAPOR A continuación analizaremos algunas calderas empleadas en la industria, presentando cada una de ellas algunas ventajas por las cuales se les ha elegido. CALDERA CILÍNDRICA: Sencilla de hogar exterior Fig. #10 Este tipo de calderas se encuentra suspendida por una estructura de vigas de acceso y las paredes del hogar están formadas de ladrillos refractarios, como su nombre lo indica es de hogar exterior con pirotubos de retorno horizontales, parrilla fija, permitiendo generar cualquier combustible sólido, como carbón, leña, etc. En una caldera antigua y de rendimiento bajo, las presiones de trabajo están comprendidas entre 2 y 12 Kg./cm2 CALDERA ACUO-PIROTUBULARES (Fig. #11) En este tipo de calderas para lograr un mejor aprovechamiento del calor tienen instaladas en las paredes laterales y trasera, alrededor del hogar una serie de acuotubos, que terminan en un colector principal en los extremos, con esta disposición se logra un mejor aprovechamiento de las paredes y se favorece la circulación del agua en la Caldera. La parte superior esta formada por la plancha envolvente, los pirotubos y la cámara de vapor. Este tipo de caldera la encontramos en varias formas tamaños, con la alternativa de quemar combustible diesel, fuel oil y sólidos. CALDERA CILÍNDRICA DE HOGAR INTERIOR PIROTUBULAR (Fig. #12) Esta caldera forma una unidad compacta que va montada sobre una estructura que facilita su instalación y transporte, pueden estar equipadas para quemar combustibles líquidos y gases, esta es una unidad de cuatro pasos, lo que permite un máximo aprovechamiento de calor. Poseen controle automáticos de partida y parada, accionador por presión o temperatura del vapor que producen. Como la mayoría de las calderas pirotubulares es de fácil acceso por el lado de fuego y humos para inspeccionar, en cambio el lado de agua plantea claras dificultades, cuando se trata de efectuar la limpieza de depósitos de incrustaciones, siendo los medios químicos los mas recomendables. GENERADORES DE VAPOR MARINOS La figura N°13 representa un generador de vapor marino, como se aprecia en esta caldera se ha aprovechado al máximo el espacio por razones obvias. Se encuentra equipada con economizador, calentador de agua de alimentación y recalentador de vapor, este último se hace indispensable en instalaciones equipadas con turbinas de alta potencia como en el caso de embarcaciones marinas o plantas termoeléctricas.

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR El agua de alimentación pasa primero por el economizador, recuperando el calor que se pierde por la chimenea, luego entra al domo superior de la cámara de alimentación, bajo el nivel normal de funcionamiento, comienza la circulación del agua hacia el domo inferior por los tubos externos (mas fríos) luego sube reemplazando el agua que se ha evaporado, para posteriormente evaporarse y subir hasta la cámara de vapor por los tubos internos (mas calientes). Enseguida pasa a los tubos del recalentador y en este por medio de sus propios quemadores se le suministra el calor suficiente para lograr la temperatura deseada. En estas calderas se puede obtener vapor saturad recalentado, según sea la necesidad encendiendo o apagando los quemadores del recalentador. CALDERA ACUOTUBULAR En la Fig. N°14 se representa una Caldera Acuotubular tipo D compacta, de dos pasos de gases, con paredes laterales, trasera, techo y piso enfriador con tubos de agua para aprovechamiento máximo del calor, son de pequeño volumen de agua, lo que permite generar vapor con mucha rapidez y una vez que se ha terminado la producción parar de inmediato, esto indica que no tienen una inercia térmica muy grande, como las calderas que queman combustibles sólidos. Estas equipadas para quemar combustible Diesel, Fuel Oil o gas. Poseen un control de llama para regulación automática a distintas cargas, lo que representa una ventaja cuando se trabaja con consumos muy variables. El control de nivel de agua de alimentación es de tipo termo-hidráulico o de alimentación continua de agua. Pueden estar equipadas con equipos turbo para aire de combustión, alimentación de agua y combustible, además de un quemador conectado en el mismo eje del turbo-ventilador, lo que permite a esta caldera ser totalmente auto-suficiente cuando se ha alcanzado presión de vapor si falla la energía eléctrica la caldera puede seguir funcionando sin problemas. Posee dentro de sus sistema de control un registrador de presión de vapor flujo aire de combustión, temperatura de salida de gases a la chimenea y el flujo del vapor generado en Kg/hora con contador totalizador Fig. N°29. Con estos instrumentos de registros, se puede determinar los motivos de una posible falla como también la hora exacta que esta ocurrió, porque la carta de registro avanza con la hora-reloj y tiene 24 horas de duración.

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR CALDERAS PARA RECUPERACIÓN DE CALOR Existen muchas empresas que en los procesos de fabricación, fundiciones o grupos de motores de combustión interna generan gases de escape de altas temperaturas. La energía que posee estos gases puede ser absorbida por intercambiadores de calor ubicados en el camino recorrido por los gases, estos pueden ser de piroturbos o acuotubos. La figura N°15 representa una caldera de recuperación de calor piroturbular; la cual recibe el calor por los ductos de un piso inferior. En este tipo de calderas el calor es transmitido a la superficie de calefacción solamente por convección debido a que no queman combustible, generalmente se presentan algunos problemas de tiro cuando este es natural para solucionar estos inconvenientes se les instalan ventiladores de tiro inducido. En este tipo de instalación se puede recuperar aproximadamente el 60% de la energía que poseen los gases. CALDERAS DE CIRCULACIÓN FORZADA. En la Fig.N°16 se representa una caldera de circulación forzada, como se aprecia el circuito de los tubos puede alargarse, el diámetro se reduce y las paredes de los tubos puede disminuir para una presión determinada. Los tubos están dispuestos de forma similar a un serpentín continuo, rodeando el hogar logrando de esta manera una mayor transmisión del calor y a la vez se reducen los tamaños al mínimo. Generalmente trabajan a presiones elevadas y requieren sistema de control muy exactos para regresar a la combustión y la circulación del agua. Tienen además la ventaja de generar vapor con mucha rapidez. Algunas de estas Calderas trabajan con gases comprimidos en el hogar hasta unos 2Kg./cm2, al aumentar la densidad de los gases al comprimirlos, se mejora la transmisión del calor, pudiendo llegar a ser 10 veces mayor que el hogar convencional, con la que se puede reducir 4 veces el espacio ocupado por la caldera. En la caldera figura el vapor producido y el agua sin evaporar entran al cilindro vertical de canales centrífugas las que dirigen el agua hacia el fondo y el vapor saturado sube por el centro, el agua vuelve a entrar al circuito por medio de la bomba de alimentación.

GENERADORES DE VAPOR CAPACIDAD DE GENERACIÓN DE VAPOR DE LAS CALDERAS La capacidad de generación de vapor de las calderas generalmente se da en kilogramos de vapor por hora, pero como sabemos el vapor posee diferentes cantidades de energía según sea la presión, entonces el sistema mencionado no mide exactamente la energía producida por la caldera. Por lo tanto la forma correcta es determinar el calor total entregado al agua en Kg. Cal / hora. Como sigue: Q = Ms (hg – hf) donde Q

= PRODUCCIÓN DE LA CALDERA EN kcal/hora

Ms = PESO DEL VAPOR EN Kg /hora hg = ENTALPIA DEL VAPOR SATURADO EN Kg.cal/Kg. hg = ENTALPIA DEL LIQUIDO DE 1 Kg. DE AGUA DE LA TEMPERATURA DE ENTRADA A LA CALDERA KCAL/Kg. El rendimiento de una caldera se puede expresar en forma global como la relación que existe entre el calor absorbido por el agua y la energía suministrada por el combustible. η = Ms (Hg – hf) x 100 Mc x Pc Donde: η = RENDIMIENTO Ms = MASA DEL VAPOR EN KG. Mc = MASA DE COMBUSTIBLE EN KG. Pc = PODER CALORÍFICO DEL COMBUSTIBLE El rendimiento de una Caldera dependerá de los siguientes factores: a) b) c)

Diseño y Construcción de la Caldera Combustible que se quema De la calidad del agua de alimentación debido a que esto es lo que determina la cantidad de purgar que se debe efectuar considerando lo siguiente: % de purga =

SA . x Sc - SA

100

GENERADORES DE VAPOR SA = Sólidos agua de alimentación Sc = Sólidos en la Caldera. d)

Del grado de ensuciamiento ya sea con incrustación y sedimentos en el lado de agua o depósitos carbonosos y hollín en el lado de fuego y gases.

CAPACITACIÓN OPERADORES DE CALDERAS

1.-

PARTIDA Y PARADA DE CALDERAS Determinar el tiempo mínimo de parada y partida de Calderas para no dañar el quipo. Esto es para evitar las dilataciones y contracciones bruscas, que pueden dañar el arco refractario fatigar tubos o placas, lo que podría hacer aparecer filtraciones o roturas mucho antes de los tiempos estimados de vida útil. Cualquier rotura o trizadura en el arco refractario o la zona de recubrimiento de la plancha seca puede obligar a la detención de la Caldera durante producción (se debe mantener un pequeño stock de plásticos refractarios para hacer las reparaciones que corresponda a tiempo) OPERACIÓN A DIFERENTES CARGAS Cuando durante la operación normal de la caldera se varían los consumos de vapor por necesidades de producción. Se puede aumentar la generación de vapor (para mantener la presión) variando la altura de capa o bien aumentando la velocidad de la parrilla, y sabemos que las variaciones son momentáneas, se deben aumentar la velocidad de parrilla y si los cambios son a un régimen normal más alto se debería variar la altura de capa de carbón. La velocidad de parrilla no debe ser ni muy alta ni muy baja ya que esto presenta los siguientes riesgos: a) Puede comenzar a salir carbón encendido por el buzón de descarga de escoria. b) Se puede ir la llama hacia adentro y apagarse el carbón, porque este necesita un tiempo de encendido por el arco refractario mas aún cuando se encuentra frío en la partida. Si la velocidad es muy lenta se corre el riesgo que el fuego pase a la tolva de carga lo que pude resultar muy riesgoso si el Operador no se da cuenta a tiempo, también se corre el riesgo de quemar la guillotina de regulación de altura de capa. Las alturas de capa muy extremas también presentan problemas como por ejemplo, A) Muy baja produce la canalización del aire, dando como resultado una mala combustión debido a una distribución irregular del oxígeno para quemar el

GENERADORES DE VAPOR carbón, siendo necesario aumentar la cantidad de aire para lograr una mejor combustión y esto sin duda baja la eficiencia. B) Capa muy alta dificulta el paso de aire forzado lo que lo obliga a aumentar la velocidad de gases resultando una pérdida de calor por gases muy calientes saliendo por la chimenea. La velocidad de los gases debe controlarse con una presión de 2 a 4 mm., columna de agua en el fogón y aproximadamente 5 a 6 cms., a la salida de la Caldera. Esto a veces induce a error porque regulando altos de aire forzado e inducido también se puede obtener estos valores. La forma más exacta, es obtener una temperatura de salida de los gases alrededor de 200°C (Temperatura superior significa pérdida de calor por la chimenea, temperatura menor es por falta de aire de combustión y además es riesgoso para el equipo por la generación de ácido sulfúrico del azufre del carbón y con la temperatura anteriormente indicada se obtienen eficiencias de combustión de un 88% aprox., llegando a un máximo de 92% con los riesgos antes descritos . Si se tienen a mano un analizador de gases debiéramos medir por lo menos un 15% de CO2 con un 3 a 4% de exceso de oxígeno. En forma práctica se puede observar a través de la mirilla posterior y regular el aire de manera de obtener una llama blanca anaranjada en la base con leves trazas oscuras en la parte superior (nunca azul o como soplete) este es el punto en que comienza a salir humo por la chimenea.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA EFICIENCIA 1.

CONTROL DE OXÍGENO O AIRE DE COMBUSTIÓN Como se dijo anteriormente el control del aire de combustión es fundamental para obtener una buena eficiencia. Si recordamos un concepto básico de combustión se dice que es la unión química de un combustible con el oxígeno del aire con la ayuda de una temperatura elevada ( y esta oxidación del combustible puede ser rápida (explosión) o lenta como el caso del carbón). Esto se expresa como sigue: C + O2 = CO2 Pero como el aire tiene 3,76 partes un peso de nitrógeno queda como sigue. C + O2 +3,76 N2 = CO2 + 3,76 N2. El nitrógeno por ser inerte solo pasa a través de la Caldera, sin ayudar a la combustión pero si absorbe calor que posteriormente sale por la chimenea. Después de analizar esto podemos ver porque se trata, de que el oxígeno utilizando en la combustión sea el mínimo posible, evitando las fugas de calor, que finalmente significan un mayor gasto de combustible

2.

ASEGURAR UN BUEN QUEMADO DE COMBUSTIBLE

GENERADORES DE VAPOR Regular correctamente altura de capa y aire de combustión para asegurar que el combustible sea quemado al máximo. Quemarlo en un 100% es casi imposible. Revisar que haya una buena distribución del aire bajo la parrilla. 3.

HACER BUEN USO DE LA ENERGIA a) Evitar al máximo las pérdidas de vapor a la atmósfera b) Retornar el máximo de condensado que, como sabemos posee una buena cantidad de energía además es agua prácticamente destilada, de manera que no necesita ningún tratamiento para ser alimentada nuevamente a la Caldera. c) Disminuir el régimen de purgas, obteniendo para alimentación agua de buena calidad, las purgas deben ser cortas e intermitentes para eliminar la mayoría de los lodos formados por sólidos y productos de tratamientos.

4.

ENSUCIAMIENTO INTERIOR La acumulación de residuos de combustión, partículas sueltas hollín, etc., produce una capa aislante en el fogón, los tubos y las cámaras de recirculación de gases que va disminuyendo gradualmente la eficiencia, por este motivo es necesario limpiar semanalmente el fogón y cámara acuotubular, de partículas sueltas y a lo menos cada 3 meses una limpieza general de tubos y cámaras de recirculación de gases. RECORD Y GRAFICA PARA MENTENER CONTROL DE LA EFICIENCIA

Los principales controles que se debe efectuar para mantener la eficiencia de los valores más convenientes son: a) b) c) d)

Record de consumo de carbón Record de vapor generado (Agua de alimentación + purgas) Control de la temperatura de salida de gases Mediciones de gases (CO2 - O2 - CO, etc)

Para el valor a) solo necesitamos pesar los Kgs., de carbón por capachos, turno, día, semana, etc. Para llevar record de vapor generado en este caso se debe controlar los litros de agua de alimentación entrada a la Caldera en las mismas unidades de tiempo que el carbón. Manteniendo un control estricto de la temperatura de salida de los gases podemos mejorar la eficiencia hasta llevarla a un valor máximo conveniente.

GENERADORES DE VAPOR Finalmente podríamos efectuar mediciones de gases teniendo en cuenta que valores de CO2 entre 16 y 17% nos da una buena eficiencia de la combustión y para este valor de CO2 tenemos un valor de O2 de 2 a 3% (Exceso de oxígeno en los gases de combustión) Todos estos valores podemos verlos en la tabla que a continuación se describe:

GENERADORES DE VAPOR COMBUSTION EFFICIENCY TABLE FOR COAL

GENERADORES DE VAPOR COMBUSTION EFFICIENCY (PERCENT) FOR VARYNG GAS TEMP.

GENERADORES DE VAPOR

GENERADORES DE VAPOR 0.0 4.8 10.2 16.2 22.8 30.3 38.8 48.5 59.7 72.7 88.1 106.6 129.2 157.5 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 18.6 17.7 16.8

GENERADORES DE VAPOR 15.9 15.0 14.2 13.3 12.4 11.5 10.6 9.7 8.8 8.0 7.1 92.24 92.05 91.85 91.65 91.36 91.08 90.75 90.38 89.95 89.45 88.85 88.14 87.28 86.19 97.01 90.77 90.50 90.21 89.88 89.51

GENERADORES DE VAPOR 89.09 88.61 88.05 87.41 86.65 85.73 84.61 83.21 89.78 89.48 89.16 88.80 88.40 87.94 87.43 86.84 86.16 85.37 84.44 83.32 81.95 80.23 88.55 88.20 87.39 86.91 86.37 58.77 85.07 84.27 83.33

GENERADORES DE VAPOR 82.23 80.90 79.28 77.25 74.65 87.32 86.92 86.47 85.98 85.43 84.81 84.11 83.30 82.38 81.30 80.02 78.49 76.62 74.28 86.09 85.63 85.13 84.57 83.94 83.24 82.44 81.53 80.48 79.26 77.81 76.07

GENERADORES DE VAPOR 73.95 71.30 84.86 84.35 83.78 83.16 82.46 81.67 80.78 79.77 78.59 77.22 75.60 73.66 71.29 68.32 83.63 83.06 82.44 81.75 80.98 80.11 79.12 78.00 76.70 75.18 73.39 71.25 68.62 65.34 82.40

GENERADORES DE VAPOR 81.78 81.10 80.34 79.49 78.54 77.46 76.23 74.81 73.15 71.18 68.83 65.96 62.36

GENERADORES DE VAPOR DESICIONES A TOMAR EN SITUACIONES DE EMERGENCIA 1.

Tener claridad de la importancia del equipo que estamos operando, para el correcto desarrollo del proceso de producción. Bajas de presión podrían ser causa de que una cantidad importante de productos se deteriore o quede fuera del rango de calidad, se evita esto manteniendo un buen control de la presión y anticipándose a los aumentos de consumo. Establecer un sistema de comunicación entre producción y Sala de Caldera para avisar en casos de consumos altos.

2.

Para tranquilidad del operador, este debe hacer constantemente rondas por los equipos a su cargo y que deben estar en servicio o partirán en forma intermitente, para detectar a tiempo cualquier falla.

3.

Posibilidad de falta de agua. Uno de los factores de mayor riesgo para el funcionamiento de las Calderas es la falta de agua de alimentación (generalmente por descuido en el control de nivel del estanque de alimentación, este debería tener una alarma de bajo nivel). Si eventualmente nos encontramos sin agua de alimentación (podría deberse a obstrucción en algún lado) como primera medida debe usarse los sistemas de By-pass (2° alternativa) de contadores, válvulas de control o de los ablandadores. Si esto aún no es suficiente, alimentar con inyector desde el estanque de emergencia y utilizar la conexión de emergencia desde el agua potable al estanque de alimentación solo el tiempo necesario para efectuar las revisiones y encontrar la falla. Hacer conexiones de venteo para detectar más rápido la falla. Si la alimentación de agua dura es la última alternativa se deberá aumentar las dosificaciones de productos químicos de tratamiento (fosfato, sulfito, alcalinizante) de manera de compensar las deficiencias que el agua dura tiene. Todas las posibilidades deberían probarse para que llegando el momento en que es necesario utilizar , funcionen correctamente y el personal este capacitado en su operación. OTRAS POSIBILIDADES DE FALLA -

Detención de parrilla, si la parrilla se detiene podría deberse a problemas de transmisión o accionamiento como ser motor, correa, poleas, reductor de velocidad variable, cadena, piñones, etc. Esto se puede determinar inspeccionando los elementos antes mencionados y reparar donde corresponda, mientras se efectúa la reparación se puede trabajar manual desde la manilla que el sistema tiene para este efecto.

-

Detención de ventiladores, si se detiene el ventilador forzad podemos solucionar temporalmente abriendo más (de acuerdo a las necesidades) los dampers de aire forzado e inducido, esta condición no puede mantenerse durante mucho tiempo debido a que podría hacer un recalentamiento de la parrilla. Si se detiene el ventilador inducido habrá que abrir totalmente la regulación de aire de este ventilador y regular cerrando el aire forzado si es

GENERADORES DE VAPOR que el sistema permite mantener este funcionando o si no se debe parar y regular el aire hasta que la llama no se ahogue trabajando con tiraje natural, en este caso convendría disminuir altura de capa para facilitar la pasada del aire con tiraje natural y disminuir consumo de vapor En todas las posibilidades de fallas los electricistas deben tener información a mano con planos y numeración de cables para ubicar con mayor rapidez cualquier problema. -

Falla de control de nivel, si el nivel se baja en forma progresiva, cambiar el interruptor a bomba manual y mantener el nivel dentro del rango normal hasta que el problema sea solucionado, si el problema esta en la transmisión del flotador al interruptor (lado de presión) deberá esperar hasta la parada de fin de semana, no así, si el problema esta en la parte eléctrica.

CORTES DE ENERGIA ELECTRICA En los cortes de energía se espera una baja de consumo debido a la detención de los equipos de Proceso. Abrir las regulaciones de paso de aire de los ventiladores empezando por el inducido para aumentar tiraje natural, alimentar agua con inyector manual, para unos 15 minutos avanzar la parrilla manual, para tiempos mayores debería apagarse el fuego.

GENERADORES DE VAPOR MANUTENCIÓN Y CONSERVACIÓN DE LOS EQUIPOS

MANUTENCIÓN GENERAL a)

Eliminar filtraciones por los empaques de las pruebas especialmente por el lado de la aspiración para evitar la entrada de aire a la línea de alimentación, esto se comprueba cuando la bomba esta detenida, que haya solo un leve goteo.

b)

Para protección general de las partes que se desmontan, el armado se debe hacer con un lubricarse que evite que los pernos y las superficies se peguen por la acción del valor. Esto puede ser un lubricante en base a Molibdeno o Niquel.

c)

Todas las válvulas que no son adecuadas para regular paso como las de espejo deben abrirse o cerrarse completamente para evitar que se formen grietas o ranuras que utilizan las válvulas, no ocurre esto con las de globo o asiento que están diseñadas para regular paso de fluidos (revisión anual)

d)

Mantener un buen alineamiento y balanceamiento de los ventiladores, el aumento de vibración puede ser causa de serios daños a estructuras o planchas de los ventiladores, evitar toda posibilidad de que los ventiladores aspiren un elemento que pueda dañar las aspas y eje, lavar las aspas de los ventiladores forzado o inducido para eliminar capa de polvo, que comienza el desbalanceamiento.

e)

Por la alta humedad del carbón se produce una fuerte corrosión en el interior del capacho y tolva de carga; para lo cual periódicamente debe rasparse y pintar con anticorrosivo y esmalte.

f)

El tecle del mono-riel se debe revisar por posible desgaste de cadena o piñón de arrastre, igualmente las ruedas del mecanismo de traslación que no se quede pegadas, lubricar.

1.-

Partidas y Paradas lentas graduales. Tal como se dijo en el comienzo de este curso, esto es muy importante debido a las dilataciones y contracciones, que la Caldera y los equipos en general quedan expuestos cuando trabajan en temperaturas elevadas. Para equipos mayores, debería subirse de 5°C en 7 a 10 min.

2.-

Diariamente se debe purgar la Caldera para eliminar barros y bajar las concentración de sólidos en la Caldera, sin que las purgas sean excesivas y que la pérdida de energía sea inoficiosa.

3.-

MANTENCION SEMANAL

GENERADORES DE VAPOR a) Como una rutina semanal se debe chequear lo siguiente, el buen funcionamiento del control de nivel (Mc Donnell), efectuando un drenaje que sirva para barrer lodos, esto mismo se debe hacer en el vidrio de nivel, donde se aprecia claramente como circulan los lodos acumulados a través del vidrio. En el control de nivel se producirá una falta de nivel simulada, lo que provocará la parada de parrilla y ventilador forzado. Al volver a la condición normal esto debe solucionarse (asegurarse que todo se ha normalizado) estas pruebas deben hacerse antes de la parada semanal y quedar registrada en el libro del operador. b) Semanalmente durante la parada, se debe limpiar de residuos la cámara acuotubular y los depósitos acumulados sobre el fogón, con raspadores especiales que permitan efectuar este trabajo de afuera. c) Lubrique los descansos del eje frontal y revise la transmisión de la parrilla, por problemas de transmisión se puede ir perdiendo la velocidad real de la parrilla induciendo a errores al operador. d) Durante la parada revise la parrilla para verificar si tiene eslabones quebrados (se marca la parrilla con tiza y se corres a máxima velocidad, sí la cantidad de eslabones quebrados es mínima y están repartidos en la parrilla se puede posponer su cambio para una próxima parada, no así, sí hay varios quebrados en un mismo sector o línea en este caso hay que cambiarlos para evitar un posible trabamiento. 4.-

MANTENCION TRIMESTAL a) Se debe repetir chequeo semanal además se debe efectuar limpieza de residuos en separador de partículas y chimenea. b) Efectuar limpieza de tubos por hollín acumulado durante el tiempo de funcionamiento, la cantidad de hollín puede ser mayor o menor de acuerdo a la velocidad de los gases, como dijimos anteriormente conviene trabajar con velocidades lentas de gases esto ensucia más la Caldera (pero se gana en rendimiento), esto se puede disminuir un tanto, si algunas horas antes de parar se aumenta la velocidad de gases, ya que el carboncillo y arcilla del carbón actúa como abrasivo para eliminar la película de hollín. La limpieza de tubos debe efectuarse con cepillo circular de acero, desde la caja de humos delantera para tener acceso a los tubos del 2° y 3° paso. c) Revisar transmisión parrilla, correas, poleas, chavetas reductor de velocidad variable, revisar nivel de aceite (SAE 30) a este último, revisar estado de reducción sin fin y corona ver si hay desgaste anormal de alguno de los elementos. Revisar si el aceite que tiene el depósito de lubricación del sin fin y corona se encuentra contaminado con carboncillo cambiar por aceite SAE 140 para este tipo de reducción. d) Revisar estado del tubo de nivel, debido a la circulación del condensado de la conexión superior a la Caldera el tubo se gasta, por lo que es necesario revisar y

GENERADORES DE VAPOR cambiar si este esta muy delgado, para evitar cambios durante la operación normal.

MANTENCION SEMESTRAL O ANUAL Según las características de funcionamiento y limpieza de acuerdo a período preestablecido, agua de alimentación de buena calidad, alto retorno de condensado, etc., la mantención semestral se puede efectuar una vez al año en una parada para mantención general, y consiste en los siguientes chequeos: a)

Efectuar Mantención Trimestral

b)

Vaciar el agua de la Caldera para eliminar residuos, inspeccionar y si hubiera depósitos en los tubos tomar muestras determinando espesor y características, con el agua que aún queda en el estanque de alimentación pistonear los tubos y rincones de poca circulación para eliminar residuos alojados en estos sectores (evitar que las bombas trabajen sin agua)

c)

Proceder de la misma forma con el estanque de agua de alimentación usando agua blanda o potable para eliminar los residuos por el drenaje.

d)

Por el lado de fuego además de la limpieza de tubos limpiar escorias adheridas sobre el tubo fogón y limpieza de depósitos sobre el refractario teniendo cuidado de no dañarlo (se debe contar con un pequeño stock de un material refractario para trabajos de emergencia)

e)

Efectuar completa revisión de conexiones eléctricas, revisar los contactos de los contactores, que no estén chisporroteados, cambiar lo que se encuentre dañado. Los motores eléctricos por el del tipo cerrado no necesitan mantención, solo es necesario hacer un chequeo de aislación por la posible humedad adquirida por el funcionamiento a la intemperie; tanto en los motores como en las líneas en general.

f)

Desarme y limpie el sistema controlador de nivel, lodos adheridos a las paredes y flotador.

CUIDADOS DEL QUEMADOR Y LA PARRILLA a)

Cuando se efectúe reparaciones en el quemador y para esto es necesario sacarlo de su posición, revisar la posición de los bloques de sello, el estado de descanso interiores debe reponerse posteriormente el cordón de asbesto para evitar que se meta carbón detrás de los bloques de sello lateral y puedan dañar los eslabones de arrastre

GENERADORES DE VAPOR b)

Para efectuar cambio de eslabones, es conveniente soltar la parrilla para que los pasadores salgan y entren con facilidad y es recomendable abrir la parrilla para revisar que no haya pedazos de eslabones quebrados en el interior, o aristas cortantes que pueden dañar una cantidad importante de eslabones. Los pasadores deben quedan bien expandidos, evitar que queden afuera del avellanado que el eslabón tiene, haciendo bien la operación de cerrado y expandido de los pasadores, esta se puede repetir varias veces en un mismo pasador. Después del cambio de eslabones revisar toda la estructura interior del quemador por desgaste excesivo y correcta ubicación de ductos de aire y aletas para distribución del aire en el encendido que se muevan libremente. Cuando la parrilla se cierra debe darse la tensión correcta a ambos lados (aprox. 5 cms. Tomados en el punto mas suelto de la parrilla). Mucha tensión produce un desgaste prematuro de los elementos de transmisión además de sobrecargar esta el motor. Muy poca tensión produce desgaste de las catalinas de arrastre. Después de cerrar la parrilla y darle tensión se debe mover manualmente con la manilla sin un esfuerzo muy grande. Una tensión dispareja produce un desgaste de los pasadores y eslabones también desuniforme. Finalmente podemos decir que se debe evitar que caigan a la parrilla objetos duros que puedan romper los eslabones como: clavos, pedazos de fierro, piedras o carbón sin quemar en los puntos en que la parrilla esta abierta y posteriormente se cierran los eslabones atrapando estos objetos con la consecuencia ya indicada.