1 CALDERAS. GENERADORES DE VAPOR
Generalidades: se llama generador de vapor o caldera a cualquier artefacto que tenga por finalidad la producción de vapor, a presión superior a la del ambiente, para su empleo fuera del generador.
Desde la antigüedad se observó la fuerza del vapor, suficiente para hacer bailar la tapadera de una olla, pero recién a fines del siglo XVII se dispuso de
suficiente tecnología para aprovecharla.
El desarrollo posterior de los motores de vapor fue la demanda que posibilitó la construcción de generadores cada vez más potentes.
Descripción de una caldera típica:
1.- Cuerpo de la caldera: donde se genera y almacena el vapor.
2.- Hogar: Sitio donde se quema el combustible. Forman parte de él la parrilla (para combustibles sólidos), el altar, la puerta, los quemadores (para líquidos, gases o polvos), el cenicero y los inyectores de aire.
3.- Cámara de humos: lugar donde los gases provenientes de la combustión cambian de sentido de circulación.
4.- Chimenea: Tubo que envía al exterior los gases ya utilizados. 5.- Elementos auxiliares:
a) Válvulas de seguridad b) Válvulas de maniobra c) Manómetro (s)
d) Indicadores de nivel del agua
e) Puertas y tapas de inspección y limpieza f) Válvula (s) de purga
g) Aparato (s) de inyección de agua. h) Aparatos de automatización.
Análisis de las partes del generador de vapor. Cuerpo de la caldera:
Se construyen 2 tipos clásicos de calderas: Las de tubos de fuego o de humo y las de tubos de agua. Calderas de tubos de fuego: Las comunes calderas horizontales o verticales cilíndricas, construidas de chapas de acero cilindradas con juntas remachadas o
soldadas, van atravesadas de una base a la otra por tubos por los que circulan los gases calientes
provenientes de la combustión. A veces se construyen de hogar húmedo o
interior, especialmente para quemar combustibles líquidos o gaseosos, en cuyo caso un tubo de mayor diámetro, con las paredes onduladas actúa como hogar. Las antiguas calderas de calefacción de tubos verticales de fuego, las
utilizadas para la producción del calor necesario para la vulcanización del
caucho en la reparación de neumáticos, las pequeñas calderas para la industria de la alimentación, las calderas de las locomotoras de vapor y de los
locomóviles, las calderas marinas de potencias pequeñas y medianas son de este tipo.
Las veces sucesivas en que los gases calientes son puestos en contacto con las superficies de intercambio de calor con el agua se denominan PASOS. Al área metálica donde ocurre el intercambio de calor se le llama SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN.
Calderas de tubos de agua: El agua circula por el interior de los tubos, y los gases calientes los rodean. Se distinguen por su rápida puesta en servicio y su
elevada producción de vapor. Se construyen para las mayores demandas y presiones. Dentro de éstas se distinguen las CALDERAS DE TUBOS INCLINADOS, con tubos hervidores rectos, inclinados con respecto de la vertical 1:2 hasta 1:3.5. Lleva en la parte superior 1 o 2 tambores transversales o longitudinales donde los tubos se cargan de agua y descargan el vapor producido. LAS CALDERAS DE TUBOS VERTICALES tienen una construcción parecida, pero los haces de tubos son verticales, y los tubos descendentes son menos calentados o no lo son. Las CALDERAS DE RADIACIÓN tienen el hogar recorrido en todas sus paredes por tubos ascendentes que colectan allí el calor. En las CALDERAS DE CIRCULACIÓN FORZADA en agua es obligada circular a gran velocidad por los tubos de intercambio por una bomba. A este tipo corresponden las CALDERAS DE PICO, cuya principal característica es la rapidez de entrada en servicio. Las CALDERAS DE RECUPERACIÓN DE CALORES PERDIDOS aprovechan los gases calientes de otras industrias, cuyo calor de otro modo se perdería, y en algunos casos, si son éstos
fuertemente reductores, pueden oxidarlos para recuperar también estos calores latentes. Según su construcción, pueden las calderas cumplir con más de una de las calificaciones anteriores. Una caldera de tubos de fuego puede actuar como de calores perdidos, sin perder por eso su característica principal. ACCESORIOS DE LA PRODUCCIÓN DE VAPOR:
a) Recalentadores de vapor: En los casos en que el vapor deba transportar más calor del correspondiente a su temperatura de
saturación, se acostumbra sobrecalentarlo, utilizando para ello un haz de tubos de acero por los que circula el vapor, expuestos al calor del hogar. b) Economizadores: En instalaciones de gran tamaño, con el objeto de
ahorrar combustible, se acostumbra calentar el aire de admisión al quemador utilizando un intercambiador de calor que aprovecha el calor de los gases de escape. También el agua para la inyección puede calentarse.
c) Trampas de vapor: La presencia de condensados en las líneas de vapor provoca diversos problemas como ruidos, golpes de ariete, funcionamiento intermitente. Las trampas de vapor colocadas en los sitios adecuados eliminan los condensados y mantienen las líneas libres de agua.
d) Aislaciones térmicas: Todas las partes de la caldera y las líneas de conducción de vapor deben estar cuidadosamente aisladas para evitar las pérdidas de calor que conspiran en contra de la economía de la instalación.
e) Preparación del agua de inyección: El agua debe tener características adecuadas para su evaporación sin dejar residuos que dañen la
máquina. Aguas duras deben tratarse con intercambiadores de cationes, aguas turbias deben decantarse y/o filtrarse, aguas con sales en
solución deben recibir un tratamiento adecuado para evitar
incrustaciones. La purga de fondo periódica elimina los lodos residuales. Si es posible, la recuperación de los condensados es una práctica
excelente.
f) Reposición del agua consumida: El nivel interno en la caldera debe mantenerse cuidadosamente, dentro de márgenes muy estrechos.
Según la presión de trabajo, pueden usarse bombas de émbolo, bombas centrífugas de 1 o varias etapas, inyectores de vapor y carga
gravitacional. Cualquiera de los métodos que se elija debe proveer con holgura la máxima demanda de vapor prevista.
g) Automatización: Las máquinas modernas tienen un alto grado de automatización. Un sistema secuencial, atendido o no por un ordenador, se hace cargo de todas las operaciones, desde la puesta en marcha, el funcionamiento a plena carga o carga parcial, la recarga de agua, etc. El sistema saca de servicio a la caldera si ocurre un inconveniente que no puede solucionar y avisa con una señal sonora.
CALDERAS EN PAQUETE (Steam pack)
Los generadores de vapor modernos de potencias pequeñas y medianas se suministran con todos sus accesorios montados de fábrica en un bastidor que los contiene. Esto simplifica la labor de montaje y acelera la puesta en servicio. Además simplifica la responsabilidad a un solo proveedor, en caso de tener que ejecutar la garantía.
1.1 ALGUNAS DEFINICIONES Y CONSTANTES PARA CÁLCULO
a) Superficie de calefacción: es el área expresada en m2 que está
expuesta por un lado a los gases calientes y por el otro en contacto con agua o vapor.
b) Vaporización especifica: está expresada por la cantidad de agua que se vaporiza en una hora y la superficie de calefacción. Kg hora/m2
c) Presión de trabajo: Es la presión normal de descarga de vapor, a la que está regulada la máquina. Las válvulas de seguridad se regulan a una presión 10% mayor.
d) Rendimiento térmico: Es la relación entre el calor contenido en el vapor producido a plena carga y el calor sensible inferior del combustible consumido, todo por unidad de tiempo. Se expresa en %
CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR a) por la presión de descarga del vapor:
1) Calderetas: hasta 1 bar. 2) Baja presión: >1< 7 bar 3) Media presión:>7< 25 bar 4) Alta presión >25 < 75 bar
5) Muy alta presión > 75 bar
b) Por la rapidez para entrar en servicio: 1) Muy lentas > 10 horas
2) Lentas <10 h > 2 h
3) Normales < 2 h > 20 min. 4) Rápidas : < 20 min. > 2 min. 5) De pico: < 2 min.
c) Por la colocación del hogar: 1) De hogar inferior 2) De hogar anterior
3) De hogar interior o húmedo
d) Por la cantidad de veces que los gases de combustión son expuestos al intercambio de calor con el agua o vapor:
1) De un paso 2) De dos pasos 3) De tres pasos 4) De cuatro pasos
e) Por el tipo de combustible que utiliza:
1) Para combustibles sólidos (carbón, coke, leña, briquetas) 2) Para combustibles líquidos (petróleo y derivados)
3) Para combustibles gaseosos (gas natural o fabricado) 4) Para combustibles mixtos ( gas y líquido)
5) Para combustibles sólidos pulverizados f) Por la forma en que se realiza el tiraje
1) De tiro natural (con chimenea alta) 2) De tiro aspirado
3) De inyección de aire. BALANCE TÉRMICO
Según los tipos de calderas y combustible utilizado el aprovechamiento del calor puede ser más o menos eficiente. El diseño del constructor, los componentes y accesorios utilizados mejoran también esta utilización de la energía contenida en el combustible.
En términos generales se puede aceptar los siguientes porcentajes:
Calor absorbido por la caldera y convertido en vapor………75,0% Calor perdido por humos, gases de escape, cenizas, chispas, hollín ……11,5% Calor perdido por combustible no quemado y combustión incompleta ... 9,6% Calor perdido por radiación, purgas y varios …...………..3,9% APARATOS DE CONTROL, SEGURIDAD Y MANTENIMIENTO DE
Es necesario dotar a las calderas de ciertos accesorios que optimicen el control ,seguridad y mantenimiento de las mismas.
Elementos de control
Manómetros que indican presión. Existen diferentes diseños y fomas de inserción con escalas dentro del rango de la caldera.
Tubos de nivel. Son gruesos tubos de vidrio con una montura apropiada (generalmente bronce). La parte
superior está conectada con la cámara de gases y la inferior con la cámara de agua. Poseen un mecanismo de cierre para casos de roturas.
Grifos de nivel. Tienen por objeto controlar los niveles adecuados de agua y vapor. Son tres ubicados de forma que al abrir el superior escapa vapor, al abrir el inferior escapa agua y el del medio está ubicado en el límite óptimo del nivel de agua de modo que al abrirlo sale espuma.
El operador comienza abriendo el inferior, si sale agua, abre el del medio y debe salir espuma en situaciones normales. Si sale vapor indica que falta agua.
Si la situación es normal sale espuma y se verifica abriendo el superior que expulsa vapor.
La situación se complica cuando al abrir el inferior sale vapor. Esto indica que falta agua y se está en una situación de riesgo.
Elementos de seguridad.
Tapón fusible: generalmente las calderas fuego tubulares tienen colocado un tornillo de acero o bronce hueco. Este hueco está relleno con plomo o una mezcla de plomo y estaño que funde a una temperatura de aproximadamente 230 ºC. Se colocan levemente por debajo del nivel mínimo de agua de modo que si la cadera baja más del mínimo se funde y se pierde la presión y evita el
riesgo de explosión. El vapor que sale acciona un silbato que alerta al calderista de esta situación de riesgo.
Alarma sonora y de luces: dispositivos electromecánicos o electrónicos actúan sobre alarmas sonoras y lumínicas cuando se presenta alguna situación anormal de presiones o temperaturas o nivel de agua
Válvulas de seguridad: son regulables y dejan escapar vapor cuando se supera la presión que se ha establecido como límite. De este modo se evitan
sobrepresiones. Existen dos tipos fundamentales de contrapeso y de resorte.
