Componentes de Una Caldera

I.

COMPONENTES DE UNA CALDERA 1. HOGAR O FOGON. FOGON. Es el espacio donde se produce la combustión, se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión. 2. PUERTA HOGAR. Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador. 3. EMPARRILLADO. Son piezas metálicas en forma de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del fogón y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire Primario que sirve para que se produzca la combustión. 4. CENICERO. Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire a ire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua. 5. PUERTA DEL CENICERO: CENICERO: Accesorio que se utiliza utiliza para realizar realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se p uede controlar también la entrada del aire primario al hogar. 6. MAMPOSTERÍA: Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tiene como objeto: Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor al exterior Guiar los gases y humos calientes en su recorrido. En algunos tipos de calderas, se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente aislamiento térmico en el cuerpo principal y cajas de humo tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas. 7. CONDUCTOS DE HUMOS: Es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes que se han producido en la combustión; en estos conductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera. En las calderas ígneo tubulares, estos conductos (tubos) deben instalarse de modo que su extremo superior quede a 10 cm por debajo del nivel mínimo de agua de la caldera. 8. CAJA DE HUMO: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea. 9. CHIMENEA: Es el conducto de salida de los los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias a la comunida d. Además, tiene como función producir  

el tiraje necesario para obtener una adecuada combustión, esto es, haciendo pasar el aire necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan combustibles sólidos. (Tiraje natural) Las dimensiones de la chimenea en cuanto a su altura y diámetro estarán determinadas por el tiraje necesario y condiciones de instalación respecto a edificios vecinas. En las calderas modernas existe tiraje artificial en que el movimiento del aire se hace por ventiladores sin descartar, desde luego, los usos de la chimenea. 10. REGULADOR DE TIRO O TEMPLADOR: Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o menor paso a la salida de los gases y humos de la combustión. Este accesorio es accionado por el ope rador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente se usa en combinación con la puerta del cenicero. 11. TAPAS DE REGISTRO O PUERTAS DE INSPECCIÓN: Son aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos dependiendo de su tamaño: LAS PUERTAS DE HOMBRES: Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamaño suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente la caldera y limpiarla. LAS TAPAS DE REGISTRO: Todas las calderas tienen convenientemente distribuidas cierto número de tapas que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas, si es necesario extraer en forma mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas. 12. PUERTAS DE EXPLOSIÓN: Son puertas metálicas con contrapeso o resortes, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Solo son utilizables en calderas que trabajen con combustibles líquidos o gaseosos. 13. CÁMARA DE AGUA: Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo. 

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14. CÁMARA DE VAPOR: Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. 15. ACCESORIOS DE LA CALDERA: Los accesorios de la caldera son todos los elementos útiles y necesarios para permitir y/o controlar el buen funcionamiento del equipo generador de vapor. Cada uno de los accesorios tiene una función específica que cumplir cuando el equipo está en servicio; se pueden clasificar como sigue:

1. DESCRIPCIÓN DE LOS ACCESORIOS  A. ACCESORIOS DE OBSERVACIÓN: a. INDICADORES DE NIVEL DE AGUA: Toda caldera deberá estar provista, a lo Menos, de dos indicadores de nivel de agua, independientes entre sí. Uno de ellos deberá ser de observación directa del nivel de agua, del tipo tubo de vidrio (figura 1), pudiendo ser el otro formato por una serie de tres Grifos o llaves de prueba figura 2. b. INDICADORES DE PRESIÓN: Toda caldera deberá estar provista de uno o más manómetros, que se conectarán a la cámara de vapor de la caldera mediante un tubo que forme un sello de agua.

c. ANALIZADORES DE GASES: Son aparatos que sirven para controlar la calidad de la combustión dentro del hogar, a través del análisis de los gases que salen por la chimenea. d. INDICADORES DE TEMPERATURA: Son instrumentos destinados a medir la temperatura, ya sea del agua de alimentación, del vapor, de los gases de la combustión del petróleo, etc. B. ACCESORIOS DE SEGURIDAD: a. VÁLVULAS DE SEGURIDAD: Tiene por objeto dar salida al vapor de la caldera cuando ésta sobrepasa a la presión máxima de trabajo. b. TAPÓN FUSIBLE: El tapón fusible, es un elemento que permite el paso de vapor y agua hacia el hogar, cuando el nivel de agua en la caldera baja más allá del mínimo permitido. c. ALARMAS: Toda caldera dispondrá de un sistema de alarma, acústica o visual, que funcione cuando el nivel de agua alcance el mínimo o el máximo, deteniendo a la vez, el funcionamiento del sistema de combustión, cuando se alcance el nivel mínimo de agua. C. ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE AGUA: a. BOMBAS: Este accesorio al igual que el inyector, nos permite reponer el agua que se ha vaporizado en el interior de la caldera. Entre éstas, tenemos las Bombas Centrífugas y las de émbolo. b. INYECTORES: Los inyectores, son dispositivos que funcionan con el mismo vapor que produce la caldera y son capaces de descargar agua a una pr esión mayor que la presión interna de la caldera. D. ACCESORIOS DE LIMPIEZA a. PUERTAS DE INSPECCIÓN: Según sus dimensiones se llaman puertas de hombre o tapas de registro. Éstas últimas sólo permiten el paso de un brazo. Ambas puertas sirven para efectuar limpiezas o inspecciones en el interior de los colectores principales o de los tubos según sea su ubicación. b. LLAVES DE PURGA: Entre las llaves de purga, se pueden distinguir las válvulas de extracción de fondo y las de extracción de superficie. La primera de ellas va ubicada en las partes más bajas de la caldera y sirven para extraer los lodos o barros provenientes de la vaporización de las aguas duras y acción del uso de los desincrustantes. E. ACCESORIOS DE CONTROL a. RETARDADORES: Consisten en una plancha lisa, del mismo ancho que el diámetro interior del tubo, torcida en forma de hélice, la que se mete en el tubo de caldera. Los gases calientes tienen ahora que recorrer un camino mayor, siendo más lento el paso de ellos por el interior de los tubos y entregando mayor cantidad de calor al agua. La eficiencia de la caldera se aumenta entre un 2 % y 8 % con el uso de retardadores. b. PRESOSTATOS: Son accesorios que funcionan sobre la base de la máxima y mínima presión de trabajo de la caldera. Actúan sobre el quemador, apagándolo al llegar a la máxima presión para lo cual fue regulado y encendiéndolo al alcanzar la mínima presión deseada.

c. TERMOSTATO: Son accesorios que funcionan de acuerdo a la temperatura del agua.  Apagan el quemador cuando se obtiene la máxima temperatura para la cual fue regulada. d. CONTROL DE NIVEL DE AGUA: Los controles de nivel de agua, tienen por objeto controlar que el agua, dentro de la caldera, se mantenga en un valor o en un rango pre -determinado. e. CONTROL DE LA LLAMA: Mediante una celda fotoeléctrica se controla la llama (su largo) impidiendo la alimentación de combustible, en caso de que ésta no exista en el hogar. f. CONTROL DEL ENCENDIDO (chispa): Por medio de este control, se impide que salga combustible sin que exista la chispa para encender

* En este tipo de calderas, existe un continuo movimiento de agua-vapor en la dirección que señalan las flechas, en las que siempre la mezcla de agua caliente y vapor sube al colector, mientras el agua fría del fondo del colector baja y ocupa el lugar de esta mezcla.

3. VENTAJAS. * Menor peso por unidad de potencia generada. * Por tener pequeño volumen de agua en relación a su capacidad de evaporación, puede ser puesta en marcha rápidamente. * Mayor seguridad para altas presiones. * Mayor eficiencia. * Son inexplosivas. 4. DESVENTAJAS. * Su costo es superior.

* Deben ser alimentadas con agua de gran pureza, ya que las incrustaciones en el interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos. * Debido al pequeño volumen de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de vapor, siendo necesario hacerlas funcionar a mayor presión de la requerida.

RED DE DISTRIBUCION DE VAPOR DISTRIBUCIÓN DEL VAPOR. El sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente generadora y los puntos finales. La fuente generadora de vapor puede ser una caldera o una estación de cogeneración, esta debe suministrar vapor de buena calidad, caudal y presión requerida por el/ o los equipos que lo van a utilizar y a su vez debe realizar este transporte con las mínimas perdidas de energía y el mínimo costo de mantenimiento.

Fundamentos de los sistemas de distribución vapor. El flujo de vapor en un circuito es debido a la condensación del vapor, que provoca una caída de presión. Esto induce el flujo de vapor a través de las tuberías. Cuando la válvula de salida de la caldera está abierta, el vapor pasa inmediatamente de la caldera a las tuberías principales. La tubería esta inicialmente fría y por tanto el vapor transfiere calor. El aire que rodea las tuberías está más frio que el vapor y en consecuencia, la tubería transfiere calor al aire. Como el vapor fluye hacia un medio más frio, comenzara a condensar inmediatamente. Aquí se produce inicialmente la “carga de puesta en marcha” y cuando el vapor se encuentra en plena distribución se produce la “carga de funcionamiento”.

La purga de los condensados debe realizarse en los puntos bajos de la tubería de distribución. El condensado formado tanto en la tubería de distribución como en los equipos de proceso, es agua ya caliente y preparada para la alimentación de la caldera. El circuito de vapor básico debe completarse con el retorno de condensado al tanque de alimentación de la caldera, siempre que sea factible.

Presión de Trabajo La presión a la que el vapor debe distribuirse está parcialmente determinada por el equipo de la planta que requiere una mayor presión y por los siguientes factores: Presión requerida en el punto de utilización. Caída de presión a lo largo de la tubería debida a la resistencia al paso del fluido. Pérdidas de calor en la tubería. Dimensionado de tuberías: El dimensionado de las tuberías puede determinarse mediante dos métodos: Guiarse por el tamaño de las dimensiones del equipo a las que van a conectarse. Sí la tubería se dimensionan de este modo, es posible que no se pueda alcanzar el caudal volumétrico deseado. Para corregir esto y poder dimensionar correctamente la tubería, pueden utilizarse reductores concéntricos y excéntricos.

 A. Dimensionado de la tubería acorde a la velocidad del vapor . Los cálculos se basan en el volumen de vapor que se transporta con relación a la sección de la tubería. Para tuberías de distribución de vapor saturado seco, la experiencia demuestra que son razonables las velocidades entre 25 - 40 m/s, pero deben considerarse como en máximo sobre la cual aparecen el ruido y la erosión, particularmente si el vapor es húmedo. En líneas de suministro de longitudes considerables, es frecuentemente necesario restringir las velocidades a 15 m/s si se quieren evitar grandes caídas de presión.

Para el dimensionado de la tubería se recurre a la siguiente fórmula: Donde: V = Caudal volumétrico (m 3/s) D =

√ 4 ..

C = Velocidad del flujo (m/s)

Ejemplo:

Ejemplos. Se quiere dimensionar una tubería para transportar 0,333m3/s de vapor saturado seco a 7 bar y a una velocidad de 25 m/s. Hallar el diámetro interno de la tubería. Solución  Aplicamos la fórmula y reemplazamos valores: D =

√ 254 .. 0,3,3133416  = 0,130m

D = 130 mm Dimensionado de la tubería en función de la caída de presión Es un método gráfico en el que se utiliza unas tablas para calcular el diámetro de las tuberías si se conocen las siguientes variables: temperatura del vapor, presión, caudal y caída de presión.

LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN Y PURGAS. Siempre que sea posible, la tubería de distribución debe montarse con un descenso no inferior a 40 mm cada 10 m, en la dirección del flujo. Montando la tubería con un descenso en la dirección del flujo, tanto en vapor como en condesado, irán en la misma dirección y se pueden colocar puntos de purga en la línea para recoger y evacuar el agua. En cualquier caso, la cantidad de condensado que se forma en una línea de gran tamaño bajo condiciones de puesta en marcha, es suficiente para hacer necesaria la instalación de puntos de purgas cada 30m a 50 m, así como en los puntos bajos del sistema. Durante el funcionamiento normal, el vapor puede fluir por las tuberías de distribución a velocidades de hasta 145 km/h, arrastrando condensado con él.

GOLPES DE ARIETE Y SUS EFECTOS Normalmente se produce un ruido de golpe, que puede ir acompañado del movimiento de la tubería. En casos serios, los accesorios pueden incluso romperse con un efecto casi explosivo, con consecuente pérdida de vapor vivo en la rotura, creando una situación peligrosa.

 Afortunadamente, el golpe de ariete se puede evitar si se toman las medidas oportunas para que no se acumule el condensado en la tubería. Recomendaciones para evitar los golpes de Ariete: Las líneas de vapor deben montarse con una inclinación descendente en la dirección del flujo, con puntos de purga instalados a intervalos regulares y en los puntos bajos. Deben montarse válvulas de retención después de los purgadores, ya que de otro modo se permitirá que el condensado se introdujera de nuevo en la línea de vapor o la planta durante las paradas. Las válvulas de aislamiento deben abrirse lentamente para permitir que el condensado que haya en el sistema pueda fluir sin brusquedades hacia, y a través de los purgadores, antes de que el vapor a gran velocidad lo arrastre. Esto es especialmente importante en la puesta en marcha.

Conexiones de derivaciones Las derivaciones transportaran el vapor más seco siempre que las conexiones tomen el vapor de la parte superior de la tubería principal. Si la toma es lateral, o peor aún, de la parte inferior como en la Figura adjunta, transportarán el condensado, comportándose como un pozo de goteo. El resultado de esto es un vapor húmedo que llega a los equipos. La válvula, según gráfica que se expone, debe instalarse tan cerca como sea posible de la derivación para evitar que el condensado se deposite en el ramal si se producen largas paradas del sistema.

TAREA: Describir brevemente dos accesorios de una red de distribución de vapor: Válvula de una tubería de vapor Presentamos una variedad de válvulas para utilizarse en vapor, aire, agua, etc. Rango de presión operacional: 0 - 5 MPaG Rango de temperatura operacional: 0 - 425 °C Válvulas antibloqueo para ser instaladas en trampas de vapor J3X y J5X para eliminar problemas de bloqueo de vapor frecuentemente asociados con secadores cilíndricos, prensas, hervidores enchaquetados, etc. Rango de presión operacional: 0 - 2.1 MPaG Rango de temperatura operacional: 0 - 220 °C Válvulas de Bola Las válvulas de bola ofrecen muy buena capacidad de cierre y son prácticas porque para abrir y cerrar la válvula es tan sencillo como girar la manivela 90°. Se pueden

hacer de 'paso completo', lo que significa que la apertura de la válvula es del mismo tamaño que el interior de las tuberías y esto resulta en una muy pequeña caída de presión. Otra característica principal, es la la disminución del riesgo de fuga de la glándula sello, que resulta debido a que el eje de la válvula solo se tiene que girar 90°. Cabe señalar, sin embargo, que esta válvula es para uso exclusivo en la posición totalmente abierta ó cerrada. Esta no es adecuada para su uso en una posición de apertura parcial para ningún propósito, tal como el control de caudal. La válvula de bola hace uso de un anillo suave conformado en el asiento de la válvula. Si la válvula se utiliza en posición parcialmente abierta, la presión se aplica a sólo una parte del asiento de la válvula, lo cual puede causar que el asiento de la válvula se deforme. Si el asiento de la válvula se deforma, sus propiedades de sellado se vulneran y esta fugará como consecuencia de ello. Válvulas de Globo La válvula de globo es adecuada para utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones, desde el control de caudal hasta el control abierto-cerrado (On-Off). Cuando el tapón de la válvula está en contacto firme con el asiento, la válvula está cerrada. Cuando el tapón de la válvula está alejado del asiento, la válvula está abierta. Por lo tanto, el control de caudal está determinado no por el tamaño de la abertura en el asiento de la válvula, sino más bien por el levantamiento del tapón de la válvula (la distancia desde el tapón de la válvula al asiento). Una característica de este tipo de válvula es que incluso si se utiliza en la posición parcialmente abierta, hay pocas posibilidades de daños al asiento o al tapón por el fluido. En particular, el principal tipo de válvula de globo utilizada para control de caudal es la válvula de aguja. Cabe señalar, sin embargo, que debido a que la vía de circulación en esta válvula es en forma de 'S', la caída de presión es mayor que el de otros tipos de válvulas.  Además, el vástago de la válvula debe ser accionado en numerosas ocasiones con el fin de abrir y cerrar la válvula y por tanto, hay una tendencia a fugar por la glándula de sello. Además, dado que cerrar la válvula requiere accionar el vástago hasta que el tapón presione firmemente hacia abajo en el asiento, es d ifícil saber el punto exacto en el que la válvula está totalmente cerrada. Ha habido casos en que accionando accidentalmente la flecha de la válvula demasiado lejos se ha dañado la superficie del asiento.