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Calderas de Vapor

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INTRODUCCION

INTRODUCCION

Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto para uso industrial como Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc. Estos ejemplos muestran la complejidad que puede tener una caldera y que haría muy extenso la caliente sanitaria, etc. Estos ejemplos muestran la complejidad que puede tener una caldera y que haría muy extenso la descripción de los elementos que se integran en ellas. Por ello, para el lector interesado en el conocimiento, no ya de descripción de los elementos que se integran en ellas. Por ello, para el lector interesado en el conocimiento, no ya de sus elementos, si no del léxico empleado en calderas, le remitimos a la Norma UNE 9001, donde encontrara una sus elementos, si no del léxico empleado en calderas, le remitimos a la Norma UNE 9001, donde encontrara una terminología suficientemente amplia.

terminología suficientemente amplia. Así mismo, para garanAsí mismo, para garantizar su seguridad, el Reglamento tizar su seguridad, el Reglamento de Aparatos a Presión,de Aparatos a Presión, establece unas prescripciones específicas algunas de las cuales se

establece unas prescripciones específicas algunas de las cuales se recogen en los siguientes puntos.recogen en los siguientes puntos.

PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS

PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación.

algunas de cuyas características se indican a continuación.

CALDERAS PIROTUBULARES

CALDERAS PIROTUBULARES

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a tr

térmico, los humos son expulsados al exterior a tr avés de la chimenea.avés de la chimenea.

CALDERAS ACUOTUBULARES.

CALDERAS ACUOTUBULARES.

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Final

caldera. Finalmente, los mente, los gases son gases son enviados a enviados a la atmósfla atmósfera a era a través de través de la chimenea. la chimenea. Con objeto de obtener Con objeto de obtener un mayorun mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases

dichos gases

CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA

CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA

Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera esta preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la que se inyecta, en un corto tiempo la caldera esta preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea. Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua denominación de calderas de vaporización instantánea. Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el

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caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.

requerido.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCCIÓN

El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en el calentamiento de procesos, en El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en el calentamiento de procesos, en la generación de potencia y en

la generación de potencia y en la calefacción de espacios.la calefacción de espacios.

El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio, inodoro, insípido y estéril; es de fácil El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio, inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control; cuando se condensa, da un calor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; distribución y control; cuando se condensa, da un calor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; puede usarse para generar potencia y

puede usarse para generar potencia y proporcionar calefacción.proporcionar calefacción.

El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vapor húmedo, Vapor saturado seco, Vapor El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vapor húmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado.

recalentado.

En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas más representativas en el medio industrial entre En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas más representativas en el medio industrial entre las que se encuentran las pirotubulares y las acuotubulares. También se describen los principales sistemas de control las que se encuentran las pirotubulares y las acuotubulares. También se describen los principales sistemas de control que deben tener los generadores

que deben tener los generadores de vapor.de vapor.

2. CALDERA

2. CALDERA

Una caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce vapor a una presión mayor que la atmosférica. Una caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce vapor a una presión mayor que la atmosférica. A la máquina le entra una energía (aire

A la máquina le entra una energía (aire

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combustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentementecombustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentemente agua) efectuándose el proceso de evaporación, cuyo mec

agua) efectuándose el proceso de evaporación, cuyo mec anismo de transferencia de calor depende del anismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera.tipo de Caldera. Las calderas de vapor, constan básicamente de 2

Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principales:partes principales:

2.1 CÁMARA DE AGUA

2.1 CÁMARA DE AGUA

Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Según la razón que existe entre la sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

pequeño volumen de agua.

2.2 CÁMARA DE VAPOR

2.2 CÁMARA DE VAPOR

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y

también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.la toma de vapor.

3. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

3. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Por la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, como calderas de tubos de humo Por la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, como calderas de tubos de humo (pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).

(pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).

3.1 CALDERAS PIROTUBULARES

3.1 CALDERAS PIROTUBULARES

En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de operación de

interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 12002). Figura 1

..

Ventajas:

Ventajas:

Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño, mayor flexibilidad de operación, menores exigenciasMenor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño, mayor flexibilidad de operación, menores exigencias de pureza en el agua

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Desventajas:

Desventajas:

Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento, no se deben Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento, no se deben usar para altas presiones.usar para altas presiones.

Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Las calderas pirotubulares o de depósito como también se llaman, Las calderas pirotubulares o de depósito como también se llaman, generalmente son de forma cilíndrica y tienen una cámara de generalmente son de forma cilíndrica y tienen una cámara de combustión con una relación mínima entre la longitud y el diámetro combustión con una relación mínima entre la longitud y el diámetro de 3:1 (SAXON, 2006).

de 3:1 (SAXON, 2006).

Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y comerciales. (KOHAN, 2000)

comerciales. (KOHAN, 2000) Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de

Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples pasos.múltiples pasos.

3.1.1 Calderas pirotubulares de un paso.

3.1.1 Calderas pirotubulares de un paso.

Estas calderas tienen un conjunto de tubos de humo que las atraviesan desdeEstas calderas tienen un conjunto de tubos de humo que las atraviesan desde el principio hasta el final, con los quemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser el principio hasta el final, con los quemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser colocados en la cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadores van montados dentro de cada tubo colocados en la cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadores van montados dentro de cada tubo y normalmente en las calderas horizontales el tiro

y normalmente en las calderas horizontales el tiro es forzado y en las verticales el es forzado y en las verticales el tiro es natural.tiro es natural.

Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen una producción de vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen una producción de vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las calderas verticales son comúnmente usadas para tintorería y

calderas verticales son comúnmente usadas para tintorería y en la fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006en la fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006 ).).

Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de

Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de

(SAXON, 2006)

(SAXON, 2006)

3.1.2 Calderas pirotubulares de múltiples pasos.

3.1.2 Calderas pirotubulares de múltiples pasos.

EstaEsta caldera usualmente tiene una sola cámara para la caldera usualmente tiene una sola cámara para la combustión principal, con un conjunto de tubos por combustión principal, con un conjunto de tubos por donde.pasan los gases calientes, tanto por el frente como donde.pasan los gases calientes, tanto por el frente como por la parte de atrás de esta. Uno de los primeros diseños por la parte de atrás de esta. Uno de los primeros diseños fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3; fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3; esta fue originalmente diseñada para quemadores con esta fue originalmente diseñada para quemadores con carbón, pero luego fue convertida a gas natural. El rendimiento térmico de este tipo de caldera generalmente es cerca carbón, pero luego fue convertida a gas natural. El rendimiento térmico de este tipo de caldera generalmente es cerca de 73

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Figura 3. Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006)

Figura 3. Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006)

La caldera moderna de cámara empaquetada generalmente es de tres pasos en la caldera húmeda, figura 4, sino hay La caldera moderna de cámara empaquetada generalmente es de tres pasos en la caldera húmeda, figura 4, sino hay problemas de fugas de aire podría funcionar con eficiencias térmicas de

problemas de fugas de aire podría funcionar con eficiencias térmicas de 7878

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83%.83%.

El combustible puede ser petróleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta 31800 kg/h con presiones de hasta El combustible puede ser petróleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta 31800 kg/h con presiones de hasta 18 bares. Las Calderas de más

18 bares. Las Calderas de más de 16820 kg/h de de 16820 kg/h de salida generalmente tienen dos tubos de combustión (SAXON, 2006)salida generalmente tienen dos tubos de combustión (SAXON, 2006)

..

Figura 4. Caldera de tres pasos. Adaptado de (SAXON, 2006)

Figura 4. Caldera de tres pasos. Adaptado de (SAXON, 2006)

3.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES

3.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES

En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan presiones de operación de 0-150

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Ventajas:

Ventajas:

Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más.Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más.

Desventajas:

Desventajas:

Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua de gran pureza.alimentada con agua de gran pureza.

Figura 5. Caldera acuotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Figura 5. Caldera acuotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la generación de energía en la industria. Los gases calientes de los generación de energía en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor delos bancos de tubos verticales quemadores pasan alrededor delos bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de forma rectangular y que contienen el agua. Las calderas son de forma rectangular y los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior. inferior y a un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cámara Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cámara principal de combustión. Los productos son por lo general por principal de combustión. Los productos son por lo general por encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las calderas trabajan con carbón pulverizado o petróleo. Algunas han sido convertidas a gas, también pueden trabajar con calderas trabajan con carbón pulverizado o petróleo. Algunas han sido convertidas a gas, también pueden trabajar con dos quemadores de combustible.

dos quemadores de combustible.

3.3 CALDERAS DE TIPO

3.3 CALDERAS DE TIPO SERPENTÍN

SERPENTÍN

Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto de serpentines. La llama del Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto de serpentines. La llama del quemador va por el interior y centro del serpentín, los productos pasan alrededor de las capas externas de los quemador va por el interior y centro del serpentín, los productos pasan alrededor de las capas externas de los serpentines, figura 6. Estas calderas se denominan a veces

serpentines, figura 6. Estas calderas se denominan a veces generadores de vapor o vaporizadores de vapor.generadores de vapor o vaporizadores de vapor.

Figura 6. Caldera de serpentín. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Figura 6. Caldera de serpentín. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas cantidades de vapor rápidamente, en menos de 5 minutos. Se debe cantidades de vapor rápidamente, en menos de 5 minutos. Se debe tener cuidado con el tratamiento de las aguas, por lo general es a base tener cuidado con el tratamiento de las aguas, por lo general es a base de sodio en combinación con aditivos químicos es todo lo que es de sodio en combinación con aditivos químicos es todo lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas de normalmente necesario para el tratamiento de las aguas de alimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta alimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta aproximadamente 9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de aproximadamente 9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de gas o de petróleo.

gas o de petróleo.

3.4 OTRAS CALDERAS

3.4 OTRAS CALDERAS

Además de las calderas descritas, también existen las calderas de gas Además de las calderas descritas, también existen las calderas de gas que se utilizan para proporcionar vapor húmedo para panadería, que se utilizan para proporcionar vapor húmedo para panadería, hornos de pastelería. Estas calderas son pequeñas y las presiones de hornos de pastelería. Estas calderas son pequeñas y las presiones de trabajo son del orden de los 2

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