DISEÑO DE CALDERAS INDUSTRIALES INDICE INTRODUCCIÓN DE CALDERAS INDUSTRIALES DEFINICIONES 1. CALDERAS 1.1 DEFINICION DE CALDERAS 1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

DISEÑO DE CALDERAS INDUSTRIALES INDICE INTRODUCCIÓN DE CALDERAS INDUSTRIALES DEFINICIONES 1. CALDERAS 1.1

DEFINICION DE CALDERAS

1.2

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

1.3

USOS 1.3.1 CUADRO DE USOS 1.3.2 APLICACIONES DEL VAPOR 1.3.2.1 Condensación 1.3.2.2 Aprovechamiento de la energía cinética de vapor

1.4

PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA SELECCIÓN DE CALDERAS 1.4.1 DEFINICIONES PRELIMINARES A. CARGA TERMICA (Q) B. VAPOR NORMAL (Vn) C. FACTOR DE EVAPORACION (f) D. CAPACIDAD DE VAPORIZACION DE UNA CALDERA E. HP DEL CALDERO-BHP F. EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERA G. SUPERFICIE DE CALEFACCION 1.4.2 SELECCIÓN DE UNA CALDERA 1.4.2.1 FACTORES MÁS IMPORTANTES A. Requerimientos de vapor B. Combustible C. Corriente eléctrica 1.4.3 ESTRUCTURA INTERNA Y EXTERNA 1.4.3.1 Partes importantes de una caldera Pirotubular A. El hogar o cámara de combustión

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a. Cilindro liso b. Tipo adamson c. Cilindro reforzado con anillos d. Cilindro Corrugado B. La caldera propiamente dicha C. El conducto de humos o tubos de fuego D. Quemador E. Válvulas solenoides F. Motor modutrol G. Programadores H. Electrobomba de alimentación de agua I. Tuberías de agua de alimentación a. línea de descarga de vapor b. línea de purga J. columna de nivel-control de nivel K. Control de presión L. válvulas de seguridad M. Código ASME 1.4.4 PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCION DE CALDERAS PIROTUBULARES 1.4.4.1 Parte Mecánica I (Datos) 1.4.4.2 Materiales empleados en la fabricación de calderas Pirotubulares A. Para cámara de Fuego, Casco y Placa B. Para tubos de fuego y tuberías de la Caldera 1.4.4.3 Proceso de Fabricación de la Caldera Pirotubular I. Las placas Portatubos-Espejos II. El Hogar o Cámara de Combustión III. Tubos de fuego. III. A Calculo de la longitud de los tubos de 2 pulg de diámetro: Lt IV. Tirantes de Refuerzo en las Placas Portatubos V. Casco 1.4.5 PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN PARTE MECANICA II 1.4.5.1 Coples soldables

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A. Para salida de vapor B. Para agua de alimentación C. Cople para agua de alimentación D. Cople para válvula de Seguridad E. Para purga de Espuma F. Cople para Purga de Fondo G. Para instalación de la columna de nivel H. Cople para temperatura de Chimenea 1.4.5.2 Chimeneas 1.4.5.3 Base de la Caldera 1.4.5.4 Tapas: delantera y posterior 1.4.5.5 Tapas de registro o Tapas Hand Hole o Entrada de mano 1.4.5.6 Soldaduras A. Supercito ó E-7018 B. Ferrocito 24 ó E-7024 C. Cellocord AP ó E-6011 D. Overcord S ó E-6013 1.4.5.7 Procedimiento de Soldadura. 1.4.5.8 Inspecciones de soldadura en el campo. 1.4.5.9 Normas de seguridad 1.4.5.10 Pruebas necesarias para calderas pirotubulares I. Prueba y ensayo de partículas magnéticas. II. Inspección de líquidos penetrantes. III. Inspecciones ultrasónicas. IV. Prueba de corriente parasita. V. Radiografías a los cordones de Soldadura-Rayos X VI. Prueba de alivio de tensiones o tratamiento térmico de la Caldera VII. Prueba Hidrostática de la Caldera VIII. Pruebas de Combustión IX. Pruebas de Funcionamiento 1.4.5.8 Aislantes I. Material refractario de la caldera

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II. Lana de vidrio III. Asbesto IV. Neoprene V. Pinturas 1.4.6 CALDERA ACUOTUBULAR. 1.5

EJEMPLO APLICATIVO

1.6

OTRAS CALDERAS.

1.7

QUEMADORES INDUSTRIALES 1.7.1 PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA SELECCIÓN DEL QUEMADOR 1.7.2 TIPOS DE QUEMADORES 1.7.3 USOS DE QUEMADORES

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Introducción Las Calderas Industriales Se emplean principalmente para proporcionar energía en forma de vapor, sin embargo, existe un amplio número de aplicaciones en las que la formación de vapor es incidental para un proceso químico; por ejemplo la unidad de recuperación química en la industria papelera, un calentador de monóxido de carbono en una refinería de petróleo o una caldera de calor residual para gas de enfriamiento en un horno de hogar abierto. En una planta industrial no es extraño que las calderas industriales sirvan para muchas aplicaciones; por ejemplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperación química se emplea para convertir el licor negro en sustancias químicas útiles y de esta manera generar vapor para el proceso. En la misma planta una unidad de combustión de corteza recupera calor del material de desperdicio y genera también energía. Las calderas industriales queman petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y/ó subproductos. Las estadísticas actuales muestran que la combustión del carbón pulverizado es la selección más apropiada para calderas grandes, cuya capacidad es superior a 113398 kg/h. Para calderas de capacidad media, es decir, de 45359 a 113398 kg/h la selección dominante es respecto a las alimentadas mecánicamente, aunque se esta incrementando el empleo de calderas que queman carbón pulverizado, ya que su mayor eficiencia térmica las hace atractivas en el limite superior del intervalo de capacidad media. El factor más importante que debe considerarse cuando se comparan las calderas alimentadas mecánicamente por fogonero y las que queman carbón pulverizado es la reducción de la eficiencia debido a la pérdida de carbono. Una caldera de carbón pulverizado bien diseñada puede mantener una pérdida de eficiencia debido a que el carbono no quemado es menor a 0.4%. En una unidad de combustión alimentada mecánicamente por un alimentador distribuidor donde existe una continua descarga de cenizas, la pérdida de carbono usual será de 4 a 8%, dependiendo de la cantidad de reinyección que se logra.

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Características y Beneficios 1. Base tipo caja, en acero, de fácil manejo y distribución de peso de balanceo. 2. Quemador de tiro forzado montado en la base, (en platillo de 20—250 HP) 3. Gabinete de control hermético al polvo con juntas que encierran y protegen su programador de encendido y vigilancia de llama. 4. Quemador Kewanee de aceite combustible, gas o combinación gas/aceite. 5. Las puertas frontales abisagradas permiten facilidad de acceso para inspecciones y limpieza. 6. Construcción de acuerdo con el código A.S.M.E. bajo la supervisión de un inspector independiente residente. 7. Columna de agua con control combinado para bajo nivel y operación de la bomba, protege las unidades de vapor contra la operación en seco. 8. Los controles limites, operacionales y de control de fogueo le proveen a usted una operación eficiente y segura. 9. Tubos de fuego de 2 ½’’ en grueso calibre para unidades de 300 - 1.000 HP, 2” en unidades de 20 — 250 HP. Rolados, expandidos y ribeteados en las unidades de alta presión y en la cámara de combustión de las unidades de baja presión. 10. Una amplia área de desprendimiento le asegura vapor seco de calidad. 11. Cobertura metálica en calibre 22, instalado en la fábrica con grueso aislamiento en fibra mineral para aumentar la eficiencia.

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12. La válvula de seguridad de vapor o de alivio de agua de acuerdo al código A.S.M.E. se despacha por separado para asegurar su llegada al sitio de trabajo. 13. Asas de levantamiento de grueso acero para facilitar tu instalación. 14. Salida de gases con platillo redondo colocado en la parte posterior de la caldera que le permite a usted hacer fáciles transiciones hasta la chimenea 15. Los tubos de fuego de las Kewanee tienen placas separadas por zonas de temperatura evitando los peligrosos esfuerzos encontrados en las calderas ele placas sencillas. 16. La cámara de combustión. 100% sumergida en agua. incrementa la transferencia de calor en menos espacio que otras calderas. 17. Las puertas traseras independientes están libres de refractarios. (abisagradas 300-1000). 18. Horno en acero de grueso calibre de 20-250 HP de vapor y unidades de baja presión. Hogar de acero corrugado de 300-1000 HP y en todas las un dudes ele alta presión.

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DEFINICIONES. Calor sensible (hsen).- es la cantidad de calor que absorbe o libera un cuerpo o fluido sin que se produzcan en él cambios en su fase física. En el cuerpo o fluido su temperatura aumenta. Este tipo de calor (ya sea absorbido o cedido), depende de la presión ejercida sobre el cuerpo; está dado en BTU/ libra, o Kcal/ Kilogramo. Hsen = m CW∆t, Calor latente de vaporización (hfg).- es el añadido a la unidad de masa de agua, a la temperatura de saturación, para evaporarlo totalmente y producir vapor saturado. Esta es la Entalpía de vaporización o de evaporación. 

H lat  h fg  m El vapor saturado seco carece de humedad y está a su correspondiente temperatura de saturación para una presión dada. El calor total o Entalpía del vapor saturado es igual a la suma del calor del líquido más el calor de vaporización. El vapor que contenga agua en cualquier forma, minúsculas gotas, humedad o niebla se llama vapor húmedo. El vapor húmedo puede ser el resultado de retención de agua durante la ebullición o de un proceso parcial de condensación. En cualquier caso el contenido de calor total de la mezcla es menor que el del vapor seco saturado, por ser la vaporización incompleta. El porcentaje de vapor seco por masa en la mezcla, se llama calidad del vapor. Por consiguiente un vapor que tiene 3% de humedad, es un vapor con 97 % de calidad. El calor total del vapor húmedo es igual a la suma del calor del líquido más el porcentaje correspondiente de calor de vaporización, representada por la calidad del vapor. La temperatura del vapor húmedo es la misma que la del vapor seco a una presión dada. El vapor con una temperatura mayor que la correspondiente al vapor saturado a una presión dada, se llama vapor sobrecalentado. Cuando se mantiene la presión de un vapor saturado seco y se le continúa suministrando calor, el sobrecalentamiento producirá un aumento de temperatura y de volumen. El calor total del vapor sobrecalentado es igual a la suma del calor del vapor saturado seco más el calor de sobrecalentamiento. El término calor total es la expresión aplicable, en ingeniería, a cualquier condición del vapor, esté húmedo, saturado o sobrecalentado. Se conoce también como la Entalpía del vapor, es la cantidad de calor añadida a una unidad de masa de agua para producir el efecto final considerado. VAPOR SATURADO Y SOBRECALENTADO Una de las características más importantes del vapor SC es la dependencia de la energía interna con la temperatura; por tanto, cuan cerca esté el vapor del gas perfecto, mejor

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será el trabajo realizado. Adicionalmente, como no contiene humedad, no existe la mínima posibilidad de condensación hasta que no se haya enfriado a una temperatura igual a la correspondiente del vapor saturado a esa presión dada. Esta característica es particularmente útil, porque con una correcta cantidad de sobrecalentamiento, es posible eliminar la condensación en las líneas de descarga del vapor de una turbina y disminuir notablemente la humedad en el escape. Con el vapor saturado, el calor disponible depende exclusivamente de la presión, mientras que con el vapor sobrecalentado hay un calor adicional, proporcional al grado de sobrecalentamiento. Este calor adicional se obtiene por un aumento en el consumo de combustible, pero los beneficios económicos obtenidos dan como resultado una mejor eficiencia obtenida de considerable magnitud. Usando comparativamente una pequeña cantidad de sobrecalentamiento es posible reducir la humedad de las condiciones de escape y producir una mejora en el porcentaje del calor utilizado. LIMITES EN LA PRESION Y TEMPERATURA DEL VAPOR Los materiales usados en la construcción del sobrecalentador, en la práctica determinan lo límites de temperatura y presión a usarse. Los últimos desarrollos en la metalurgia de los aceros usados en la manufactura de tubos y cabezales de sobrecalentadores, han hecho posible el diseño y construcción de sobrecalentadores y recalentadores para instalaciones de calderos de altas temperaturas y presiones, al haber también mejorado notablemente las técnicas de soldadura. A pesar que las instalaciones que operan en los límites de los materiales existentes son más interesantes y sensacionales, la gran mayoría de equipos se operan en el rango de 750ºF a 1050ºF de temperatura, porque representan el ámbito donde se pueden obtener mayores ahorros. El estudio de las temperaturas de vapor de las instalaciones que usan 2400 psig de presión controlada, nos indican que la temperatura más usual es 1000ºF. Lo mismo se observa en las unidades que operan en el rango de 3500 psig que usan 1000ºF para el sobrecalentamiento y recalentamiento. Aproximadamente el 30% de las unidades súper críticas tienen una segunda etapa de recalentamiento a una temperatura aproximada de 1000ºF, esto se justifica por el alto costo del combustible. EL SOBRECALENTAMIENTO REDUCE EL CONSUMO DE VAPOR En toda tubería de vapor hay pérdidas por radiación. Por lo tanto, si el vapor que entra a la línea es saturado seco inmediatamente se inicia el proceso de condensación la cual es descargada por medio de trampas y frecuentemente se pierde en el condensado. Así además de la perdida de calor por radiación hay además la perdida de calor en la condensación. Por supuesto si el condensado se retorna a un tanque, una parte del calor del líquido se aprovechará. Añadiendo una cantidad suficiente de sobrecalentamiento al vapor, podrá ser transportado sin pérdidas por condensación.

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La instalación de un sobrecalentador en un caldero, tiene el efecto de reducir la cantidad de enrgia que deben de efectuar las superficies de evaporación para producir la misma energía térmica. En otras palabras, la instalación de un sobrecalentador incrementa la capacidad de la Planta. Adicionalmente un sobrecalentador bien diseñado aumenta la eficiencia térmica de la unidad generadora de vapor. FUNDAMENTOS Para la generación de vapor en una caldera se realiza por tres métodos distintos:  Conducción  Convección  Radiación La conducción es la transferencia de calor de una parte del material a otra o a un material con el que esta en contacto. El calor se entiende como una actividad molecular o como la vibración de las moléculas de un material. Cuando se calienta una parte de un material, la vibración molecular aumenta. Esto excita el incremento de la actividad en las moléculas adyacentes, y el flujo térmico se establece desde la parte caliente del material a las partes mas frías. En las calderas se tiene lugar una considerable conductividad superficial entre un fluido y un sólido, por ejemplo entre el agua y un tubo o entre el gas y un tubo, además de la conductividad a través del metal de un tubo u hogar. La conducción se refiere al calor que atraviesa una pared sólida viniendo de un medio para luego llegar a otro. Es decir comprende el estudio de la resistencia al paso del calor en la pared que separa sus medios. Esta forma de transferencia de calor se produce en toda la superficie de Calefacción de la Caldera.

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La convección es la transferencia de calor a o desde un fluido (liquido o gas) fluyendo hacia o sobre la superficie de un cuerpo. Se entiende por convección al proceso de transferencia de energía calórica

que tiene lugar

principalmente en los fluidos como consecuencia de este contacto con un sólido o diferentes temperaturas, por lo que unas partes de las masas de este fluido se mezclan con otras a diferentes temperaturas, ocurriendo un fenómeno de conducción entre moléculas adyacentes, pero la energía puede transmitirse a otros puntos del espacio por movimiento del fluido. Cuando el movimiento del fluido se debe a la existencia de fuerzas externas en la forma de diferencia de presión, este mecanismo se conoce con el nombre de convección forzada. Cuando no se aplica ninguna fuerza externa al fluido, este se mueve como consecuencia de las diferencias de densidades de las partes de un fluido a temperaturas diferentes por estar junto a la superficie del sólido; a este fenómeno se le conoce como convección libre. Para poder evaluar la energía que se intercambia entre un fluido y un sólido, ambos, a diferentes temperaturas medias, es necesario conocer un factor llamado coeficiente de película en cuyo calculo están basadas las teorías concernientes a la convección. La convección aporta una mayor energía en los pasos de los gases por el interior de los tubos, que en la cámara de combustión.

La radiación es una forma continua de intercambio de energía por medio de Gases de combustión ondas electromagnéticas sin cambio en la temperatura del medio interpuesto entre los dos cuerpos. Zona de combustión

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La Radiación. Esta forma de transferencia de calor es de gran importancia en este tipo de aparatos térmicos debido a las altas temperaturas en los hogares o cámaras de combustión. Esto trae consigo que más del 60% del calor se produce mayormente en la cámara de combustión.

QR  A. (T 4  Tr4 )

1. CALDERAS 1.1. DEFINICION DE CALDERAS Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua líquida para transformarlo en vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro equipo industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es suministrado por un líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor. El sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha está conectada a otros, de los cuales unos calientan el agua (precalentadores de agua, economizadores) o el aire de combustión (precalentador de aire), y otros recalientan el vapor (recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz vaporizador. Los aparatos que quitan su calor al fluido refrigerador de un reactor nuclear (pila atómica), si bien constituyen verdaderos evaporadores o calderas en sentido amplio de la palabra, se denominan normalmente intercambiadores. Durante su funcionamiento, la caldera propiamente dicha está sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el liquido o el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador, recalentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición. La forma de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente y, sobre todo, se ha diversificado, incluso si nos limitamos a considerar las calderas

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calentadas por hogares. Las primeras calderas consistían esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte inferior, llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes. Para obtener, además, grandes superficies de contacto, se construyeron más adelante calderas con hervidores, situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y conectado a éste mediante conductos tubulares. Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en el hogar ha consistido en emplazar éste en el interior de la caldera, estando constituido por un cilindro de plancha, cuya superficie externa está enteramente bañada por el agua.

1.2. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS   Según los Materiales:   Según el recorrido del fluido en los  Tubos:  Según su Uso:

Según el Combustible:

Según la Combustión:

Según la energía producida:

     

Liquido Sólido Gaseoso Fuego Nuclear Eléctrica

   

Baja (<10 Tn/h), 0 – 30 bar Media (10-50 Tn/h), 30 – 300 bar Alta (50-150 Tn/h), más de 300 bar Muy Alta (>150 Tn/h)

Según Forma y Posición de los  Tubos:    

Según la Circulación:

Estacionarias Móviles (Locomotoras, marinas) Fuertes: acero especiales. Calefacción: Hierro colado. Pirotubulares Acuotubulares

 

Rectos Curvos Horizontales Verticales Inclinados

Natural Forzada

TIPOS DE CALDERA 

Acuotubular, líquido y vapor de agua circula dentro de los tubos.

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

Pirotubular, el fuego y gases de la combustión circulan dentro de los tubos.



De espalda seca, tiene las tapas posteriores (ó espejos) aislados con ladrillo refractario.



De espalda húmeda, tiene una cámara de agua en las tapas posteriores



De carbón, el combustible utilizado en el quemador es carbón bituminoso ó antracítico.



De petróleo Bunker, el quemador utiliza petróleos residuales ó pesados mediante un precalentador que los fluidifica o “adelgaza”.



Marinos, son para embarcaciones, normalmente de espalda húmeda y/o acuotubulares, utilizadas para sistema de propulsión.



Bagaceros, cuando queman el bagazo de la caña de azúcar combinado con algún otro tipo de combustible.



De vapor de Aceite, utilizan aceite en lugar de agua.



Duales, tienen quemadores que pueden trabajar con dos ó más combustibles diferentes.



Verticales, la cámara de vapor tiene posición vertical.



Horizontales, la cámara de vapor es horizontal.



En “O” acuotubular, tiene solo dos domos y has de tubos verticales.



En “D” acuotubular, que tiene tres domos y haz de tubos en forma similar a una letra “D”.



En “M” acuotubular, con cuatro domos y dos hogares, uno saturado y otro de vapor sobrecalentado.



De baja Presión, cuando utiliza 30 Kg/cm2 de presión nominal de vapor.



De media Presión, cuando utiliza entre 30 y 300 Kg/cm2 de presión nominal de vapor.



De alta Presión, cuando utiliza por arriba de 300 Kg/cm2 de presión nominal de vapor.



Por el tiro, pueden ser de tiro natural, inducido ó forzado. 

Caldera de Espalda Seca y Espalda Húmeda

Fondo Seco.

Fondo Húmedo

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

Caldera Acuotubular



Calderas Duales Diesel Nº2 y GLP

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

Calderas de Vapor de Aceite



Calderas Horizontales de aplicación Industrial

17



Caldera Vertical

18



Caldera Acuotubular en “O”



Caldera Acuotubular Tipo “D”

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

Caldera Acuotubular tipo “A”

20



Caldera Acuotubular tipo “M”

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1.3. USOS 1.3.1. CUADRO DE USOS 01 Hospitales

22 Industrias de Caucho y Jebe

02 Baños Saunas

23 Laboratorios Farmacéuticos

03 Universidades, Colegios grandes,

24 Industrias Textiles

Clubes y Hoteles

25 Industrias Madereras

04 Lavanderías

26 Fabricas de Equipos de Línea Blanca

05 Tintorerías

27 Fabricas de Ladrillos

06 Fabricas de Fideos

28 Fabricas de Cemento

07 Fabrica de Galletas- Golosinas

29 Embarcaciones-Cruceros

08 Fabrica de Helados

30 Industrias del Botón

09 Conservas de Pescado

31 Hilanderías

10 Camales

32 Lanera

11 Industrias Avícolas

33 Fábrica de Papel

12 Fábricas de Pintura

34 Fábrica de Envases Industriales

13 Bases Militares

35 Fábrica de Embutidos

14 Fábricas de Gaseosas-Agua Mineral

36 Fábrica de Levadura

15 Fábricas de Cerveza

37 Fábrica de Llantas

16 Industrias Químicas

38 Fábrica de Cigarrillos

17 Fabrica de Alimentos Balanceados

39 Fábrica Procesadores de Maíz

18 Fábricas de Aceites y Grasas

40 Adhesivos Industriales

19 Refinerías

41 Industrias de la curtiembre

20 Minería

42 Industrias de la Naranja

21 Industrias Automotrices

43 Industrias de la Pulpa de frutas

1.3.2. APLICACIONES DEL VAPOR 1.3.2. CONDENSACION: Se puede aplicar el vapor aprovechando principalmente el calor que cede al condensarse, en las siguientes formas: a. Calentamiento Indirecto El vapor no entra en contacto con el fluido a procesar, más bien lo realiza a través de serpentines, intercambiadores de calor y chaquetas de vapor (marmitas, tanques de combustible residual, etc.). b. Calentamiento directo

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Por medio de aplicaciones del vapor directamente sobre el fluido a procesar (cocinado de pescado, etc.). c. Calentamiento de Aire Por medio de radiadores (intercambiador de calor), se calienta aire para sistemas de calefacción de ambientes o para secado de productos. 1.3.2. APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA CINETICA DE VAPOR La energía cinética del Vapor en su expansión es aprovechada en las diferentes aplicaciones y formas que se indican a continuación. a. Fuerza Motriz en Maquinas Aprovechando la energía del vapor se puede mover Turbinas o Bombas Alternativas. Turbinas acopladas a bombas, compresores, ventiladores. b. Generación de Vacío La expansión del vapor genera vacío por medio de un eyector.

1.4. PARAMETROS CALDERAS

INDUSTRIALES

PARA

LA

SELECCIÓN

DE

1.4.1. DEFINICIONES PRELIMINARES A. CARGA TERMICA (Q) Es la cantidad de calor aprovechado por el agua hasta lograr su evaporación y sobrecalentamiento a una temperatura indicada. Para poder evaluarlo con rigurosidad se emplea el diagrama T- s, teniendo en cuenta la condición inicial y final del agua. La forma más práctica de evaluar la carga térmica de la caldera es mediante la diferencia de la entalpía entre el estado final e inicial del agua expresado como: 



Q  h  m (BTU/hr, kW) Donde: 

m : Flujo de agua y/o producción de vapor en (Kg/seg., lb/seg.)

Δh: Diferencias de entalpías vapor y líquido.

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El calor transferido es el sensible más el latente Donde entalpía de calentamiento: hsen

hsen  C w * T  4.186(Ts  Te ) KJ/Kg (BTU/lb) Se sabe también que:

h  hsen  hlat (KJ/Kg) (BTU/lb) Donde: Cw: Calor especifico del agua = 4.186 KJ/Kg. ºC Ts: Temperatura de Saturación To: Temperatura Inicial hfg: Entalpía de evaporación a presión considerada (KJ/Kg.) o

Q  m(hsen  hlat ) BTU/hr, kW, kcal./hr B. VAPOR NORMAL (Vn) Es la masa de vapor que se obtiene, con una cierta cantidad de calor, vaporizada desde 100°C hasta 100ºC, es decir partiendo como líquido saturado hasta llegar a vapor saturado a nivel del mar. Siendo el calor requerido, o calor latente, por cada Kg. de agua 2 257 KJ/Kg. C. FACTOR DE VAPORIZACION (f) Se define como:

f 

Entalpía de 1 Kg de vapor generado Entalpía de 1 Kg de vapor normal

Por lo tanto se deduce que: 

Vn  f  m

D. CAPACIDAD DE VAPORIZACION DE UNA CALDERA Es la capacidad de un generador de vapor en kg/hr (lb/hr) indicando la presión de trabajo y la temperatura de ingreso del agua. Pero como las calderas trabajan a presiones diferentes unas con otras, así como temperaturas

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de ingreso de agua, surge como una forma de expresar la energía del equipo en HP de Caldero. E. HP DEL CALDERO La definición más aceptada para este concepto mediante la ASME (AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEER) de la siguiente manera: Es la cantidad de calor necesaria que hay que suministrar para evaporar 34.5 libras de agua por hora desde 212ºF a 212ºF En términos numéricos esto equivale a: 1 BHP = 34 475 BTU/hr. 1 BHP = 9.81 KW De esto se puede concluir que el HP DE CALDERA es una unidad de calor, por lo que puede existir diferente BHP según la capacidad de la caldera, dependiendo de la presión y de la temperatura del agua al ingreso. También se emplea el BHP de caldero para designar el tamaño de una caldera en base a la superficie de calefacción. Para ello, la ASME teniendo en cuenta que las calderas en esa época utilizaban la superficie de calefacción de 5 pies2 para generar 34.5 lbs/hr de vapor. F. EFICIENCIA TERMICA DE UNA CALDERA Es el porcentaje de calor total suministrado por el combustible que es cedido al agua, esto es: beneficio / gasto

Eficiencia 

Calor cedido al Agua Q  * 100% Energía del combustible H RP

Pero, también, podemos expresar el calor cedido al agua como: Q  Energía del Combustible - Perdidas por Chimeneas - Perdidas por aislamiento

Por lo tanto:

Eficiencia 

H RP  Pc  Pa   Pc  Pa  1   H RP   H RP

  * 100% 

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Donde: HRP: Calor cedido por el combustible (poder calorífico del combustible) Pc: Pérdida de calor por la chimenea Pa: Pérdida de calor por el aislamiento La eficiencia se encuentra afectada por: 

Superficies de calefacción sucias: incrustaciones u hollín



Quemador con funcionamiento defectuoso: mala turbulencia en los deflectores y difusores de aire, tobera o capa rotativa defectuosa o mala atomización del combustible.



Regulación de la combustión con aire excesivo, denotado por un nivel alto de oxigeno entre los productos de la combustión.



Mal aislamiento térmico de la caldera o fugas de calor por empaquetaduras.

G. SUPERFICIE DE CALEFACCION Según reglamento oficial alemán, es el área de la superficie medida del lado del fuego de las paredes expuestas, por un lado, o los gases que sirven para la calefacción y por el otro, el contacto con el agua. Según ASME la superficie de calefacción de la unidad generadora de vapor es aquella parte de la superficie de transmisión de calor del aparato, expuesto por un lado a los gases y por otro el líquido que es calentado, medida del lado que recibe el calor. El valor empleado para la superficie de calefacción por cada BHP, actualmente fluctúa entre 3.5 pies2 por BHP para calderas verticales y de 5 pies2 por BHP para calderas horizontales. El optar por considerar 5 pies2 por BHP en calderas horizontales, nos permite lograr una larga vida en proporción o la capacidad a través de esta superficie que se realiza la transferencia de calor. 1.4.2. SELECCIÓN DE UNA CALDERA PIROTUBULAR 1.4.2. FACTORES MÁS IMPORTANTES A. REQUERIMIENTOS DE VAPOR 

Capacidad



Presión



Calidad del vapor

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Presión atmosférica

100 º C

1 bar

10 bar

99.63 °c

179.91 °c

B. COMBUSTIBLE B.1 IMPORTANCIA DE LA ELECCIÓN COMBUSTIBLE EN LAS CALDERAS

DE

UN

BUEN

a) Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de Kcal/Kg. que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas. b) Estos datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas. c) El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías:  Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.  Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc. El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de masa del combustible para que se realice la combustión completa. Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste

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en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 1os productos gaseosos formados. B.2 TEORIA DE LA COMBUSTIÓN. COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA Denominamos aire mínimo o teórico para la combustión a la cantidad estequiométrica de este, necesaria para una combustión completa. Consideremos un combustible (sólido o líquido) formado por carbono, hidrogeno, oxígeno y azufre, siendo su composición en tanto por uno en masa:  mC Kg. de carbono/kg de combustible 

mH 2

Kg. de hidrogeno/kg de combustible



mO2

Kg. de oxígeno/kg de combustible

 mS Kg. de azufre/kg de combustible De tal forma que se verifique:

m C  m H 2  m O 2  m S  1kg. de combustible. Teniendo en cuenta que las reacciones química de la combustión completa son: 1 C  O2  CO2 , H2  O2  H2O , S  O2  SO2 2

Como la composición media, en peso o gravimétrica, del aire es aproximadamente de 23% de oxígeno y 77% de nitrógeno, o volumétricamente 21% de oxígeno y 79% de Nitrógeno; se debe tomar la decisión del método a emplear para obtener el porcentaje de aire a utilizar, para combustibles sólidos generalmente es la reacción gravimétrica y para líquidos y gases volumétrica. Tener presente que en una combustión los gases salen formando los compuestos arriba mencionados, así como el oxígeno excedente en la combustión y el monóxido de carbono (CO) y otros, los cuales se deben medir con equipos más exactos, y no obtenerlo por simple diferencia; que son los que arrojan los gases en toda combustión real con exceso o defecto de aire. La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener energía, y es obvio que para una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo más

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posible, la energía química contenida en el combustible. Esta energía química va a liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la combustión. Este calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y posteriormente sobrecalentarlo. La diferencia entre la energía contenida en el combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye la energía perdida (calor perdido). El rendimiento de la combustión es, pues, función de estas pérdidas. Las causas de estas pérdidas son numerosas. C. CORRIENTE ELECTRICA En el Perú, el valor del voltaje es de 220V con una frecuencia de 60Hz

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1.4.3.ESTRUCTURA EXTERNA E INTERNA 1.4.3. PARTES IMPORTANTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR.

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A. PASOS DE UNA CALDERA.

B. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION Lugar en el cual origina y se desarrolla la llama, generalmente está integrado a la caldera. El Flue o Cámara de Combustión es el elemento de más y gran importancia en las Calderas Pirotubulares, pues desde aquí se transfiere la mayor parte de calor hacia el agua, por los tres métodos descritos. Respecto a la configuración del Flue Horizontal según el código ASME PFT15; esto puede ser de tres tipos: a. Cilindro Liso Conformado por las planchas roladas y soldadas en sus extremos a las placas portatubos. Su superficie exterior es lisa.

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b. Tipo Adamson Conformado por tramos cilíndricos, pero unidos entre si en forma de bridas soldadas. c. Cilindro reforzado con anillos Es un cilindro liso pero con anillos soldados a lo largo de la superficie exterior del Flue d. Cilindro Corrugado La superficie del Flue es ondulada. El empleo de algunos de estos tipos de Flue esta supeditado a la capacidad de liberación de calor (superficie) y a la presión de trabajo. El tipo de Flue que se adopta menor a estos requerimientos es del tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de emplear este Flue en calderas de mayor capacidad, por su mayor superficie calefactora y en calderas de mayor presión, debido a que las ondulaciones sirven de refuerzo, permitiendo al Flue ser de mayor diámetro y debido a que las ondulaciones absorben esfuerzos térmicos de dilatación El Flue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al Flue liso de tener un proceso de fabricación más complicado y costoso. C. LA CALDERA PROPIAMENTE DICHA Compuesta de un cuerpo cilíndrico de chapa de acero con dos tapas planas, denominados placa-espejo. Dicho cilindro contiene un determinado volumen de agua y vapor llamado Cámara de Agua y Vapor, que recibe calor que le ceden los productos de la combustión a través de las placas, tubos y cámara de combustión. El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo cilíndrico de la caldera. La interfase entre el estado líquido y vapor del agua se denomina: SUPERFICIE DE DESENGANCHE (Disengaging Superface). La Altura a la que se ubica esta superficie de desenganche constituye el nivel del agua de la caldera, el agua nunca debe dejar al descubierto las partes que se encuentran en contacto con la llama o con los gases calientes por el peligro que ello entraña, el recalentamiento de las chapas con posibilidad de rotura y su consiguiente explosión. El nivel de agua también determina la cámara de vapor, el cual constituye el volumen de almacenamiento de vapor en la caldera y depende del diseño del equipo. Un volumen alto significa el poder responder mejor a las fluctuaciones de demanda de vapor, que con una cámara menor. Así también el tener una cámara de vapor pequeña produce arrastre de líquido hacia la línea de salida de vapor.

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D. EL CONDUCTO DE HUMOS O TUBOS DE FUEGO Por donde los productos de la combustión salen del último paso de tubos para pasar a la chimenea. Dichos productos se mueven impulsados por el tiro que crea la chimenea o por medio de ventiladores (tiro forzado). E. QUEMADOR El cual produce la combustión del combustible con el aire, que libera la energía correspondiente, estos existen para un solo tipo de combustible o duales. F. VALVULAS SOLENOIDES Son válvulas accionadas electromagnéticamente y gobernados por el programador, por lo que permiten o interrumpen el paso del combustible al quemador. Para quemadores de mayor capacidad y especialmente aquellas que emplean petróleo residual, se puede emplear dos válvulas solenoide, siendo uno de ellos la principal (válvula permanentemente cerrada) y otra de retorno (válvula permanentemente abierta). La primera interrumpe o permite el paso de combustible al quemador y la otra lo hace en la tubería de retorno de petróleo, está abierta antes del arranque del quemador, con el objeto de circular petróleo. G. MOTOR MODUTROL Se entiende por modulación, a la regulación de la cantidad de combustible a quemar en función de la carga del caldero (producción del vapor) expresada en término de presión en ella. Debido a que es regulable la admisión de aire al quemador con el fin de obtener la relación aire-combustible adecuada. El motor – modulador tiene la función de realizar el movimiento del sistema mecánico mediante varillas, que mueve la válvula reguladora de combustible y a la vez mueve el registro de aire que ingresa a la combustión. H. PROGRAMADORES Cuando hablamos de programación de la Operación del sistema del quemador, queremos decir que los motores, ventiladores, encendido y válvula de combustible deben ser energizadas solo cuando haya necesidad y en la secuencia apropiada. Cuando se apaga el sistema en forma normal o porque ha habido una falla de flama, estos componentes también deben ser energizados en la secuencia apropiada, para prevenir que el combustible se acumule en la cámara de combustión, lo cual podría ser causa de una condición peligrosa.

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Cuando el botón de arranque es presionado o un control automático es llamado para calentar, algo debe asegurar que el quemador reciba combustible y pueda realizar el encendido en el tiempo apropiado. Debe suministrarse energía para arrancar, abrir válvulas y permitir el encendido. Y si algún componente muestra que el sistema es peligroso este “Algo” debe parar la secuencia y apagar el sistema del quemador. Este “Algo” quien debe ejecutar todo este trabajo es el sistema de seguridad de la flama. Este sistema de seguridad de flama debe distinguir la diferencia entre una flama de seguridad, una flama peligrosa y algo que no es exactamente una flama pero que tiene algunas de las características de las flamas (por ejemplo refractario caliente) y esto debe ser hecho con bastante rapidez y bastante exactitud, o el resultado puede traer como consecuencia un mal trabajo de la flama; sin esta habilidad el sistema de seguridad de flama sería peor que inservible, la cual sería completamente peligroso. Este sistema de seguridad puede realizar también otras tareas, tales como la purga, ó sonar la alarma, pero su principal función es garantizar una operación segura. Para realizar esto, no solamente debe sentirse la presencia o ausencia de una flama satisfactoria, sino controlar totalmente la secuencia de operación de todos los componentes del sistema del quemador en orden apropiado, El sistema de seguridad de flama se debe chequear de posibles fallas en cada arranque. Básicamente está compuesto por: 1. Relay de Flama, energizado por acción sensora de fotoceldas llamada sistemas de seguridad de flama. 2. Relay Maestro, compuesto por múltiples contactos que energizan en el momento necesario los arrancadores de los motores principales de la caldera 3. Timer, es un motor sincrónico que acciona un eje de levas que alternadamente y en su momento oportuno cierra los circuitos de: a. Pre-purga b. Encendido Piloto c. Encendido Principal d. Modulación de alto y bajo fuego e. Post Purga I. SISTEMA DE ALIMENTACION Y DESCARGA. ELECTROBOMBA DE ALIMENTACIÓN DE AGUA La función de la bomba de alimentación de agua, consiste en tomar el agua ya ablandada e introducirla a presión de caldera, venciendo la resistencia que se opone a su flujo. Tener presente:

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a. La diferencia de altura entre la succión y el punto de descarga al caldero. b. La fricción que le opone las tuberías, válvulas y accesorios instalados en la succión y descarga. c. La presión existente en el interior del caldero. De todas estas resistencias, la mayor es la contrapresión dentro del caldero, siendo necesario pues que la bomba descargue el agua al caldero a una presión algo superior a dicha diferencia de presiones la cual depende de la presión de trabajo del caldero. Además su capacidad de alimentación debe ser alrededor de los 14 GPM/100 BHP y deben operar en lo posible con agua blanda caliente, a una temperatura no mayor de 180 ºF y una carga hidráulica positiva total no menor de 23 pulg. Las bombas de alimentación de agua vienen accionadas generalmente por medio de motores eléctricos a pruebas de salpicaduras y goteo de agua para proteger el bobinado eléctrico, la tubería de succión debe ser absolutamente vertical y del menor recorrido como sea posible, evitando curvas y codos. Si la línea de succión es mayor de 50 pies, la tubería debe ser por lo menos una medida mayor que el diámetro del orificio de succión de la bomba y no presentar sifones que pueden dar lugar a bolsillas de aire. Para eliminar trozos de grasas en calderas nuevas hay que hacerle hervir sin la tapa superior de registro, habiendo añadido al caldero 1litro de soda cáustica/ 5 BHP. a. TUBERÍAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN Debe tener como mínimo 3/4 pulg de diámetro, la calidad del material por lo menos Acero calidad A-53 sin costura cuyo esfuerzo de tensión mínimo oscila entre 48 000 a 60 000 PSI. Este tubo alimentador debe estar provisto de una válvula de retención cerca de la caldera y una válvula de compuerta entre la válvula de retención y la caldera. Es por lo menos indispensable que una caldera posee dos medios de alimentación, uno de ellos podría ser un inyector. En ningún caso se debe de alimentar la caldera directamente con el servicio de agua potable b. LINEA DE DESCARGA DE VAPOR Toda salida para descarga de vapor, excepto las conexiones de válvulas de seguridad o de supercalentadores, estará equipado con una válvula de cierre cuyo mecanismo sea de funcionamiento lento, colocado en un punto accesible de la tubería de entrega de vapor y tan próximo a la caldera como sea factible y conveniente. Las tuberías para vapor deben cumplir con especificaciones para materiales de Acero calidad ASTM 53. Cuando fuertes pulsaciones de flujo de vapor provoquen vibraciones en la plancha del casco, se emplearán receptáculo de vapor en los tubos maestros (juntas de expansión).

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En los casos de que haya dos ó más calderas las cuales deben estar conectadas a un colector de vapor, cada una de las tuberías, estarán previstas de válvulas de cierre y de válvulas automáticas sin retorno. En ningún caso se permite el empotramiento de la tubería de vapor en piso o paredes, ya que está impedirá la libre dilatación de estas, no obstante si fuese necesario se podrían colocar en canales recubiertas con rejillas y en aquellos casos en que la tubería tenga que atravesar paredes o muros, se debe proveer de mangas que permitan el libre movimiento de la tubería en este sitio. Para la selección del espesor de la tubería de vapor ASA da la siguiente fórmula:

t

P * De C 2 S  0 .6 P

Donde:

t: Espesor mínimo de la pared del tubo (pulg.) P: Presión de trabajo (PSI) De: Diámetro exterior (pulg.) S: Esfuerzo de diseño depende de la temperatura (PSI) C: Espesor Adicional por Corrosión: C = 0.05 pulg para tuberías menores o iguales a 1 pulg de diámetro C = 0.065 pulg para tuberías iguales o mayores de 1 ¼ pulg de diámetro

Además se recomienda que todas las tuberías de vapor, incluyendo sus válvulas y conexiones, estén cubiertas por aislante, lana de vidrio de preferencia tipo medio caña para evitar fugas de calor. J. LINEA DE PURGA Toda caldera deberá estar equipado con una o más salidas de desagüe en el punto más bajo del casco (purga de fondo), destinadas a las purgas y extracciones sistemáticas de sedimentos. En las tuberías de purga conectadas a estas salidas, se debe evitar la colocación en exceso de codos, en especial los de 90º, ya que esto hace que en el flujo se formen turbulencia, la cual impide la libre salida de partículas sólidas por la línea de descarga, siendo indispensables en estos casos la colocación de codos de 45º. El diámetro de la tubería de purga de fondo entre la caldera y la válvula de purga será cuando menos igual al prescrito para tuberías de alimentación, calidad del material minino el ASTM –A53, la línea de purga estará provista de dos válvulas, uno de funcionamiento lento, y otro de funcionamiento rápido. En las conexiones de válvulas, en la línea de purga no se deben colocar válvulas que tengan diques o bolsas donde se acumulen sedimentos. No está permitido en ningún caso el vaciado directo a la red de alcantarillado de la purga de la caldera como también la purga del cristal del nivel, la purga de agua de

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condensación, la purga de espumas en el nivel, ni la de los escapes de vapor, con el fin de evitar la producción de vacío o de sobre presión en esas redes. Entre la caldera y la red de alcantarillado debe haber un tanque de purga, el cual es necesario cuando no hay un lugar abierto disponible, dentro del cual la purga de las calderas se puede descargar sin peligro de accidente o daño a la propiedad. K. COLUMNA DE NIVEL-CONTROL DE NIVEL La función del control de nivel es de mantener el nivel de agua de la caldera, arrancando la bomba cuando el nivel baja y apagando la bomba cuando llene de agua al límite superior, otra función es de controlar el arranque o parada del quemador y hacer sonar una alarma; cuando el nivel de agua baja a un punto inadmisible, el quemador se apaga y suena una alarma, y que se apague cuando el nivel sube al punto que restablece el circuito del quemador. Tipos de Controles de Nivel a.- Tipo Flotador Aquí la variación de nivel de un flotador, mueve unos colectores eléctricos conectados a la bomba de agua y control del quemador. Este tipo es el más empleado. Pueden ser de dos clases: 

De acción mecánica, mediante un brazo y fuelle

 De acción magnética, por medio de un imán permanente conectada con el flotador que al desplazarse empuja magnéticamente o un metal conectado a los contactos eléctricos de la bomba y quemador. En su cuerpo se instalan válvulas purgadoras de aire (tricats) b.- Tipos Electrodos Este tipo se basa en el principio de conducción eléctrica de agua de la caldera. Aquí se aplica un voltaje (normalmente de 300 VAC) pero de muy baja potencia, logrado por medio de un transformador, a electrodos de cobre cuyos de extremos puedan o no estar haciendo contacto con el agua, en cuyo caso cerrarán o no un determinado circuito eléctrico por medio de un relay – transformador. c.- Tipo Modulante Este tipo de control sirve para regular el ingreso continuo de agua a la caldera, para mantener un nivel sin variación. Se usa mayormente en calderas acuotubulares y no es muy aplicado para controlar el quemador. El control de nivel más usado en nuestro medio es el de boya con accionamiento mecánico. El principio de funcionamiento de este instrumento consiste en una columna de agua con flotador o boya en su interior, cuyo movimiento acciona o

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un par de bulbos de vidrio de mercurio que es el que conecta o desconecta los bordes del circuito eléctrico adecuado. Este control posee generalmente dos tubos, siendo uno de ellos para el control de la bomba y el otro para el corte del circuito del quemador y accionamiento de la alarma. Como control de nivel auxiliar se utiliza el tipo electrodo. L. CONTROL DE PRESIÓN-PRESOSTATO Sirve para limitar la presión máxima de la caldera. Esta limitación se hace interrumpiendo el circuito del quemador cuando la caldera alcanza su presión máxima; así mismo este instrumento restablece el circuito del quemador cuando la presión de la caldera baja a un punto menor que la presión de trabajo (previa regulación). El principio de funcionamiento consiste en un fuelle que se desplaza con la variación de la presión, a este movimiento se opone un resorte que equilibra la presión. El desplazamiento del fuelle se transmite a un bulbo de mercurio que conecta o desconecta el circuito del quemador. La calibración o ajuste de este control se realiza comprimiendo o descomprimiendo el resorte para la presión máxima del límite por medio de un tornillo de ajuste, también es posible ajustar la presión a la cual el circuito del quemador se conectará al descender la presión de la caldera, por medio de una escala diferencial. Paralelamente a este control automático se instala un control visual de presión denominado manómetro.

M. Válvulas De Seguridad La válvula de seguridad tiene la gran importancia de evitar sobrepresiones en la caldera causados accidentalmente, que podrían traer consigo consecuencias muy graves. Principalmente consisten en válvulas que se abren automáticamente cuando la presión de la caldera excede la presión máxima admisible, para descargar el vapor al medio ambiente aliviando la presión de la caldera y así evitar la falla de los materiales y/o instrumentos. Básicamente están compuestas por un resorte que se opone al efecto de la presión de la caldera el cual mantiene cerrado la válvula hasta que la presión de la caldera venza al resorte comprimiéndolo y así dejando salir el vapor para aliviar la presión. El código ASME en su apartado PG-67, indica que toda caldera debe tener por lo menos una válvula de seguridad (lado del vapor) o válvula de alivio (lado del agua), pero si la caldera es más de 50 BHP deberá tener dos ó mas válvulas de seguridad. Estas válvulas de seguridad deben estar reguladas para descargar toda la cantidad de vapor producida por la caldera sin que la presión se eleve más del 6% de la presión establecida por la válvula y en ningún caso excederá el 6% de la máxima presión admisible de la caldera. Este código también establece que una o mas válvulas de seguridad deben ser establecidas a una presión igual o menor a la máxima admisible y la otra válvula no deberá ser regulada a más del 3% en exceso a la máxima presión admisible de la caldera.

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1.4.3. CODIGO ASME Es una sociedad subsidiada por el Gobierno Norteamericano donde se realizan una serie de ensayos o pruebas con todo lo relacionado a la Ingeniería Mecánica, y obteniéndose como resultados conclusiones importantísimas para la Ingeniería. Estas conclusiones son dadas como normas Internacionales a través de su código ASME. Manual al cual se deben basar todos los Ingenieros Mecánicos. ASME ha emitido el documento denominado ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE que consta de 9 secciones muy importantes las cuales son: Sección I

-

Calderas de Potencia

Sección II

-

Especificaciones de Materiales

Sección III

-

Calderas Nucleares

Sección IV

-

Calderas de Calentamiento

Sección V al VIII

-

Recipientes a Presión

Sección IX

-

Calificación de Soldaduras

CODIGO ASME. DESIGNACIONES DEL NUMERO SA Los números SA, tales como SA-178, de los tubos de caldera de acero al carbono soldado por resistencia eléctrica, se usan en las distintas sesiones del código ASME de caleras para mostrar la especificación admisible del material para diferentes componentes de una caldera o recipiente a presión. Se suministran a continuación unas pocas definiciones que son apropiadas al revisar los requisitos del código ASME de calderas. Recubrimiento es todo material aplicado sobre un tubo de acero para aumentar su resistencia a la corrosión, pero que no contribuye a la resistencia del tubo para soportar la presión interna según las normas del código. Calidad del hogar (o caja de llamas) es un acero que es adecuado para utilización en recipientes a presión que estará expuesto a llama o calor y por ello capaz de resistir las tensiones térmicas y mecánicas resultantes. Calidad de calderas(o bridas) es un acero para utilización en recipientes a presión que no están expuestos al fuego o calor radiante. Se requieren una fabricación especial, pruebas y marcas del acero como calidad de calderas. Carga o colada de acero es el acero producido de una misma carga o colada de horno y consiguientemente idéntico en sus propiedades. Aceros resistentes al calor son aquellos aceros calificados y apropiados para el servicio a altas temperaturas porque conservan la mayor parte de su resistencia y aguantan o soportan la oxidación a estas temperaturas.

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Aceros calmados es una acero al que se le han añadido suficientes agentes desoxidantes en su fabricación para evitar la evolución de gases durante la solidificación y así reducir la posibilidad de porosidad en el acero. Acero mermado en caliente es el metal que es o se vuelve frágil a elevada temperaturas. Aceros maraging son un grupo de aceros martenisticos de alto contenido en níquel, que tiene una elevada resistencia y ductilidad. Test de McQuaid-Ehn es una prueba utilizada para revelar el tamaño del grano de un acero calentándolo por encima de su rango en un medio carbonoso. Esto obliga al grano a mostrarse claramente cuando es pulido, tratando con agua fuerte. Requisitos del material según el código ASME. Deben seguirse por el fabricante o reparador ciertos procedimientos para estar seguros de que solamente se usan materiales especificados según la normativa de construcción de calderas. Se debe de implementar un procedimiento de control de calidad para asegurarse de que se utilizan material según el código. Estos controles son los siguientes: 1. El material a utilizar para una caldera o recipiente a presión debe especificarse en la sección del código bajo el cual se construye la caldera lo recipiente a presión. 2. El fabricante de la caldera o recipiente a presión generalmente pide materiales según el código a las acererías. El laminador de las chapas es responsable de efectuar las pruebas necesarias según las especificaciones de código ASME de calderas y recipientes de presión. 3. Los requisitos de las Sección II del código ASME, que el fabricante acerista debe haber realizado: a. Análisis químico del acero para determinar si esta dentro de los limites de las especificaciones del código. b. Pruebas para determinar si las estructuras metalúrgicas del grano esta dentro de los límites de las especificaciones del código. c. Inspección de tubos para notar si existe defectos como sopladuras, escorias, escamaciones, laminaciones o cualquiera imperfección que queda estar presente, y, si lo está, si cae dentro de los limites o tolerancias especificadas en el código. d. Pruebas de tensión o doblado (flexión) especificaciones en el código para controlar si caen dentro de los limites de sus especificaciones. e. Pruebas de impacto para comprobar la fatiga o tensión de rotura.

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f. Informe de laminación demostrando que el material cumple las especificaciones; esto debe certificarse por la persona responsable del laboratorio de pruebas del fabricantes del acero. La caja de acero para toda parte o pieza de caldera sometida a presión y expuesta al fuego y/o a productos de combustión debe ser de la calidad del hogar o caja de fuego. Algunos aceros de calidad del hogar o caja de fuego son de acero al carbono-silicio, especificaciones SA-201, o aceros al cromo-magnesio-silicio, SA-202 y/o acero al molibdeno, SA-204. Los tubos tubulados pueden estar hechos de aceros al horno eléctrico, núcleo abierto, horno básico al oxigeno o ácido desoxido según el proceso Bessemer de acuerdo a especificaciones normalizadas. Es importante comprobar la sección del código con la que se construye una caldera por recipiente a presión y se estampa o graba como objeto del Código para anotar si el material de una pieza esta permitido con esa sección por el código ASME o normativa equivalente. Si la presión no excede de 250 psi. (17.5kg/cm2) y la temperatura no sobrepasa los 450°F (232°C) puede usarse la fundición gris SA-278 para piezas de calderas como conexiones de tubo, columnas de agua y válvulas o sus bonetes. El hierro fundido no puede utilizarse para toberas o bridas para ninguna presión ni temperatura, no se aplica a las calderas de baja presión. Las misma pieza a presión enumeradas para fundición puede fabricarse en fundición maleable (hierro maleable) tipo SA-395, excepto si la presión esta limitada a un máximo de 350 psi y la temperatura a 450°F. El espesor de chapa es de ¼’’ (6.35mm) para cualquier chapa sometida a presión. Una excepción la constituyen las calderas miniaturas de construcción sin soldadura donde el espesor mínimo de chapa puede ser de 3/16’’ (4.76mm). El espesor mínimo de pared tubular es de 3/8’’ (9.5mm), excepto en calderas miniaturas donde es de 5/16’’ (7.94mm). El material de la chapa original debe ser no mas de 0.01’’ (0.254mm) más delgado que el requerido por la formula utilizada para calcular su resistencia, supuesto que la tolerancia de fabricación.

1.5. PARAMETROS INDUSTRIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CALDERAS PIROTUBULARES 1.5.1. MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE CALDERAS PIROTUBULARES

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La ASME en sus acápites PG5 al PG9, determina los materiales a usar según la aplicación de la caldera o la parte de ella a fabricar, así se puede mencionar a los siguientes: A. Para Cámara de Fuego, Casco y Placa Material

Denominación

SA.202

Planchas de acero al cromo-manganeso-silicio, para calderas y recipientes a presión

SA.203

Planchas de acero al Níquel para calderas y recipientes a presión.

SA.285

Planchas de Acero al carbono, de bajo o intermedia resistencia para caja de fuego y para bridas.

SA.299

Planchas de acero al Carbono-manganeso-silicio, de alta resistencia para Calderas y recipientes a presión

SA.515

Planchas de Acero al carbono, de resistencia intermedia, para calderas soldadas a fusión u otros recipientes o presión de media o alta temperatura.

B. Para Tubos de Fuego y Tuberías de la Caldera Material

Denominación

SA.53

Tuberías de acero con o sin costura, para conducción.

SA.105

Acero forjado para fabricación de bridas y conexiones.

SA.106

Tuberías de acero al carbono sin costura para servicio de alta temperatura.

SA.178

Tubos de acero al carbono electrosoldado para Caldera. Es el mismo que el ASTM 178

SA.192

Tubos de Acero para caldera sin costura para servicio de alta presión igual al ASTM 192.

SA.209

Tubos de acero Sobrecalentadotes.

SA.226

Tubos de acero al carbono electrosoldados, Sobrecalentadotes de alta presión.

1.5.2. PROCESO DE PIROTUBULAR

al

carbono-molibdeno,

FABRICACIÓN

DE

para

LA

para

calderas calderas

CALDERA

43

y y

Como se menciono anteriormente, la selección de estos elementos se hará empleando el código ASME “ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE SECTION 1 POWER BOILERS”. El diseño de estos elementos consistirá principalmente en la determinación de sus espesores, obtenidos a base de formulas experimentales planteadas por el ASME, los que están en función de la máxima presión de trabajo admisible. Las calderas Pirotubulares por tratarse de un recipiente a presión, sometido a presión y temperatura, deben tenerse especial cuidado en elegir el material y proceso adecuado. Además se recomienda considerar el diseño cilíndrico pues asegura la eliminación de acumulaciones de sedimentos y puntos calientes. I. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS Estos elementos por ser de tipo plano, son los que más resisten el esfuerzo de la caldera, siendo también las que más se deforman luego de cierto período de trabajo. Estos elementos se unen con todas las otras partes del recipiente a presión: casco, cámaras de combustión y tubos. Las placas se conforman partiendo de planchas planas, cortadas en forma circular externa e internamente, mediante oxicorte con su respectivo bisel de soldaduras para su posterior unión con el casco y cámara de combustión. Luego de cortadas y biseladas en ellas se traza las posiciones de las perforaciones, donde se alojarán los extremos de los tubos, para su posterior taladrado. La operación de taladrado de placas se realiza en un taladro radial, colocando una placa encima de la otra para que las perforaciones en ambas placas sean coincidentes. El diámetro de las perforaciones deberá ser adecuado a los tubos a emplear, con la tolerancia y redondez adecuada. Esta característica se logra con el proceso final de limado, debiendo quedar la medida final de la perforación en valor diametral mayor que el diámetro exterior del tubo entre el 20% y 60% del espesor del tubo. Según código ASME recomienda los siguientes diámetros de Caldera de acuerdo a la potencia de la misma: Potencia

Diámetro

(BHP)

(Pulgadas)

De 20 a 60

-

42

De 60 a 100

-

48

De 100 a 150 -

60

De 150 a 225 -

64

De 225 a 350 -

76

44

De 350 a 400 -

82

De 400 a 600 -

88

De 600 a 700 -

96

De 700 a 800 -

112

El código ASME para Calderas, plantea las recomendaciones de cálculo para placas reforzadas con tirantes. El artículo PG-46 del código, trata sobre espesores de placa requerida por una determinada presión admisible, influyendo también el espaciamiento entre los tirantes o paso. En este artículo se plantea mediante una ecuación que, para una misma presión, a menor espesor de placa el espaciamiento entre refuerzos debe ser menor, o que para un mismo espesor, a menor espaciamiento de tirantes la placa soportará mayor presión. Expresando esto con la siguiente ecuación:

T 2 *C P (Psig) p2 Donde: T: Espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas. P: Máxima presión de trabajo admisible (PSIG) p: Máximo paso medido entre los centros de dos tirantes adyacentes en la placa, esta distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal en pulg. C: Constante que varía según el tipo de tirante. El artículo PFT-26 recomienda, para Calderos Pirotubulares un valor C = 135 con el fin de hallar un máximo espaciamiento o paso. Asimismo el artículo PFT-26.5, expresa que para tirantes diagonales soldados en calderas horizontales del tipo escocesa, el paso máximo puede ser más de 8 1/2” pero en ningún caso excederá 15 veces el valor del diámetro del tirante. Tener presente según código ASME sección I PFT-9 el mínimo espesor para las placas portatubos está limitado también por su diámetro de acuerdo a la siguiente tabla: Diámetro de la placa (pulg)

Espesor mínimo (pulg)

Hasta 36

1/4

De 36 a 54

5/16

De 54 a 72

3/8

Más de 72

1/2

45

Posteriormente con la distribución de los tubos se recalculará para ver si de todas maneras necesita refuerzos. II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION Es importante mencionar que la cámara de combustión o Flue se conforman de planchas planas, las mismas que son curvadas o roladas en frío para luego ser soldadas. La cámara de combustión debe confeccionarse con una adecuada tolerancia de redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas – espejos. Se recomienda como una forma práctica que la desviación diametral de esta parte no debe exceder a una vez el espesor de ella, pero siempre se debe considerar la holgura necesaria para el posterior trabajo de soldadura., garantizando una buena unión. Para el caso en que el Flue sea liso, el código ASME la norma PFT-15 establece los espesores del Flue en función de la presión admisible y el diámetro exterior. Cuando el espesor del Flue es menor o igual que 0.023 veces el diámetro del Flue se puede plantear la siguiente ecuación, es decir:

t / D  0.023

7

3

t   , psig P  10   Do  Y cuando el espesor del Flue es mayor que 0.023 veces el diámetro exterior del Flue: t / D  0.023 , se plantea:

 t   - 275 P  17300  Do 

, psig

Donde: P: Presión de trabajo máximo admisible o de diseño (PSIG) t: espesor del Flue (pulg.) Do: diámetro exterior del Flue (pulg.) De las normas ASME aplicaremos ciertas aplicaciones adicionales, las cuales mencionaremos a continuación: A) PARA CALCULAR LA LONGITUD CIRCUNFERENCIAL DEL FLUE SE PROCEDE A: Lcf =πDM Donde: Lcf = Longitud circunferencial DM = Diámetro medio del Flue = Do – t

46

B) PARA FLUE U HOGAR CON ANILLOS REFORZADOS Para el caso del Flue reforzado con anillos la norma PFT-17 del código explica las reglas para el cálculo de este tipo. En la figura (d) se muestra las características constructivas de este Flue. Para todos los cálculos de este flue se tiene, a la figura la siguiente nomenclatura en la figura (d) Do

: Diámetro exterior del Flue liso (pulg.)

t

: Espesor mínimo requerido para el Flue (pulg.)

L

: Longitud del diseño del Flue anillado. Tomado como la mínima distancia entre centros de anillos reforzados adyacentes o la distancia entre el centro del anillo de refuerzo con el centro de la soldadura de unión del Flue con la placa (pulg.)

P

: Presión de trabajo máxima admisible (PSIG)

Fig. (d) Detalles constructivos del flue u hogar reforzado con anillos. Las condiciones a cumplir, previas al cálculo son: Espesor del anillo: Tr 5/16” ≤ Tr ≤ 13/16” Tr ≤ 1.25t Relación altura-espesor del anillo: Hr/Tr 3 ≤ Hr/Tr ≤ 8 Los pasos a seguir para las dimensiones del Flue son: a. Se asume el valor de t y L, se determina las relaciones L/Do y Do/t. b. En la figura (7.3- e) con el valor de L/Do interceptar horizontalmente con la curva Do/t.

47

c. Desde este punto interceptar verticalmente con la curva de la temperatura. d. Desde este último punto, interceptar horizontalmente hasta hallar el valor del factor B. e. Comparar el valor de Pa’ calculada con el de P. Si Pa’ es menor, seleccionar un espesor de Flue “t” más grande o un valor menor de L con el fin de incrementar Pa’ hasta que sea igual o mayor que P. f. Se calcula el valor de la presión admisible Pa’ resultante según:

Pa' 

B Do / t

(psig)

Cuando se halla cumplido los requisitos de la presión, se sigue con los requisitos del momento de inercia de la sección del anillo que es un rectángulo Hr x Tr. El momento de inercia requerido Is del anillo circunferencial debe ser menor que I calculado según:

Is 

Do2 * L * (t 

As )* A L

14

(pulg 4 )

Dónde: Is: Momento de Inercia requerido del anillo de refuerzo respecto a su eje neutro paralelo al eje del Flue (pulg4). As: Área seccional del anillo de refuerzo (pulg2) A: Factor obtenido en la figura (7.3 - e)

48

Figura (e).

PFT-17 Chart for determining wall thickness of ring-reinforced furnaces when constructed of carbon steel (specified yield strength 30,000 to 38,000 psi)

49

Para comparar el momento de inercia del anillo de refuerzo determinado anteriormente, se siguen los siguientes pasos: a. Teniéndose conocido Do, L, t seleccionar Hr y Tr, calcular el área As : (As = Hr x Tr.) y determinar su momento de inercia I : (I 

1 Tr x Hr 3 ), Luego calcular el factor B, factor del 12

lado derecho del ábaco de la Fig. (e) de la siguiente manera:

B

P * Do A t s L

b. En el ábaco de la Fig. (e) interceptar horizontalmente el valor de B calculado con la curva de la temperatura. c. Bajar verticalmente desde este punto hasta la escala del factor A y hallarlo. d. Evaluar el momento de inercia requerida I s según la formula anterior e. Si Is calculado en el paso (d) es menor que I calculado en el paso (a) la sección del anillo asumido es correcta, pero si no lo es, seleccionar otros valores de Hr y Tr hasta que Is
C t D

(psig)

Donde: P: Máxima presión de trabajo admisible (psig) t: Espesor de Flue, no menor que 5/16”. D: Diámetro medio del Flue corrugado (pulg.) C: Constante que varía con las características de las ondulaciones del Flue.

50

C = 17300 para corrugaciones no mayores que 8” de centro a centro y profundidad no menor de 2 ¼”. C = 14000 para corrugaciones no mayores que 8” de centro a centro y profundidad no menor de 1 1/2”. C = 10000 para corrugaciones no mayores que 18” de centro a centro y profundidad no menor de 1 1/2” y apropiado para Flues hechos mediante roblonado. III. TUBOS DE FUEGO El código ASME en su artículo PFT-12 establece los requerimientos para el espesor del tubo en función de su diámetro exterior, obteniéndose como resultado la máxima presión de trabajo admisible. Se debe también conocer que la fijación de los tubos se hace de diversas formas, siendo la forma más usada en calderas Pirotubulares de presión de hasta 300 PSI el emplear el expandido mecánico (en frío) mediante una herramienta especial que abre el extremo del tubo hasta ajustarlo contra el borde de la perforación en la placa-espejo. Generalmente al proceso de expandir le sigue el rebordeado del extremo del tubo para asegurar una mejor unión. Esto se practica mayormente en el extremo del tubo correspondiente a la cámara de combustión. También es usado en las calderas, la unión soldada del tubo en la placa, sobre todo en la placa posterior (lado contiguo a la cámara de combustión). Además la tabla PFT-12.1 del Código ASME expone las máximas presiones de trabajo en función del diámetro del tubo y su espesor. Esta separación debe de bordear el Flue; y puede ser recta o con líneas quebradas. Además tener presente que en el caldero existirán dos zonas bien marcadas, la zona inferior o de líquido y la zona superior o de vapor; la altura diametral de la cámara de vapor y se recomienda que esté en el rango del (15 al 35) % del diámetro interior del casco o diámetro de la placa portatubo (DO).

51

Tabla Nº 1

IV. TIRANTES DE REFUERZO EN PLACAS PORTATUBOS Las placas están sujetando a los tubos para lo cual estas poseen agujeros a los que se fijan los tubos, ya sea por medio de soldaduras o por expansión, por lo que los tubos también sirven de tirantes en la zona inferior de las placas portatubos; luego existe una zona libre en su parte superior denominado zona de cámara de vapor. En esta zona libre de tubos, es práctica casi general el colocar refuerzos para contrarrestar la ausencia de tubos. Estos refuerzos pueden ser perfiles estructurales unidos a las placas, tirantes de sección circular que van de placa a placa (a manera de tubo) o tirantes diagonales que conectan la placa con el casco. Estas uniones pueden ser remachadas, roscadas o soldadas, siendo esta ultima modalidad la más empleada actualmente. En la Fig. (f) se muestran las formas de reforzar las placas de la caldera. El articulo PFT-30.2 del código ASME indica la exigencia o no de usar refuerzos en la placa portatubos; indicando que se debe emplear necesariamente refuerzos si la distancia entre bordes de tubos excede al máximo paso “p” calculado; según el artículo PG-46 que dice:

P

T 2 C p2

52

Figura (f) Formas de reforzar las placas de la caldera

Donde: T: Espesor de la placa requerida, expresada en 16avos de pulgadas. P: Máxima presión de trabajo admisible (PSIG)

53

p: Máximo paso medido entre los centros de dos tirantes adyacentes en la placa, esta distancia puede ser en forma vertical, horizontal o diagonal en pulg. C: Constante que varía según el tipo de tirante. El criterio para la no exigencia de refuerzos en una placa portatubos, establece que si todas las distancias radiales, en el caso de la caldera, comprendida entre las superficies interior del casco y una recta tangente a dos tubos (o el Flue con un tubo) son menores que 1.5 veces el valor del paso “p” obtenido según el artículo PG-46, con C = 112; la placa no necesita tirantes. La explicación de la distancia de la tangente se explica gráficamente en la figura (g) Esto se resume de la siguiente manera: Si y ≤ 1.5p entonces no necesita tirantes.

Figura (g). Criterios para conocer la necesidad de tirantes en la caldera

El artículo PFT-31.2 de este código, establece que para placas planas, no rebordeadas o embridadas, el área a reforzar esta delimitada por el borde exterior de la placa, en la parte superior y una línea que pasa 2 pulg encima del borde superior de la primera fila de tubos. En la figura (h) se muestra este criterio. Según el artículo PFT-31.3.2 el área neta a ser reforzada se determinará por la siguiente fórmula:

54

4( H  2) 2 A 3

 Dic   H  2  0.608  

1/ 2

(pulg 2 )

Donde: A: Área a ser reforzada (pulg2) H: Distancia de los tubos al casco Dic: Diámetro interior del casco (D ic) La fuerza totalmente absorbida por lo refuerzos Ft es: Ft = A x P Entonces el área de la sección (a) considerando a los tirantes como rectos es:

a

Ft (nt )( S Dt )

Donde: a

: Área de la sección del tirante considerado como recto, pulg.2

Ft : Fuerza total soportado por los tirantes, lb. nt : Numero de tirantes a colocar. SDt: Esfuerzo de diseño del tirante = 6000 PSI. Como los tirantes a utilizar son diagonales, esta área (a) tiene que corregirse de acuerdo al ángulo de inclinación del tirante respecto a la generatriz del casco. Según esto el área transversal final del tirante es At que según el artículo PFT32.1 del Código se determina:

At 

aL a l , pues cos   , ver figura (f) ó At  l cos  L

En esta ecuación: At:

Área seccional del tirante (pulg.2)

a:

Área seccional del tirante calculado como recto (pulg.2)

L:

Longitud del tirante diagonal (pulg.)

l:

Proyección del tirante diagonal sobre el casco (pulg.)

α:

Angulo de inclinación del tirante respecto al casco.

55

Figura (h) Área a ser reforzada por los tirantes

Figura (i) disposición de los tirantes en el casco V. CASCO Es importante mencionar que el casco se conforma de planchas planas, las mismas que son curvadas o roladas en frío, para luego ser soldados. Debe confeccionarse con una adecuada tolerancia de redondez a fin de poderse unir satisfactoriamente con las placas-espejos. Se recomienda como una forma práctica que la desviación diametral de esta parte no deba exceder a una vez el espesor de ella, pero siempre se debe considerar la holgura necesaria para el posterior trabajo de soldadura garantizando una buena unión.

56

En el acápite PG-27 del código ASME trata sobre componentes cilíndricos a presión, la norma PG-27.2.3.1 plantea las siguientes ecuaciones: Para espesores “t” hasta 1/2”:

t

P R 0 .8 S  E  0 .6 P

→ P

0 .8 S  E  t R  0.6t

Para espesores “t” mayores de 1/2”:

t

P R  0.1 S  E  (1  y ) P

→

P

S  E  (t  0.1) R  (1  y )(t  0.1)

Donde: t : Espesor mínimo recomendado (pulg.) P : Presión máxima admisible (psig) R : Radio interior del cilindro (pulg) S : Máxima tensión admisible del material (psi) E : Eficiencia de la unión (adimensional) y : Coeficiente de temperatura (adimensional) Tener presente las siguientes notas de referencia según PG-27.4 del código ASME para realizar los cálculos correspondientes. NOTAS: 

1:Valores de E

E = 1.00 para cilindros sin costura E =1.00 para juntas soldadas previendo refuerzos en toda la junta longitudinal. E = 0.90 para juntas soldadas sin refuerzo en la junta longitudinal. E = Eficiencias para ligamentos entre aperturas según PG-53 

2:

En los tubos para seleccionar el valor de S, la temperatura de trabajo del metal no puede ser tomado menor que la temperatura media (temperatura exterior más temperatura interior sobre dos) lo cual no debe tomarse menor de 700ºF. 

3: y: coeficiente que toma los siguientes valores:

57

Temperatura ºF 900 y 950 menos

1000

1050

1100

1150 más

Acero Ferrítico (y)

0.4

0.5

0.7

0.7

0.7

0.7

Acero Austénico (y)

0.4

0.4

0.4

0.4

0.5

0.7

Otros valores de y deben ser hallados por interpolación. Para materiales no ferroso: y = 0.4 

4:

La magnitud de tolerancia del fabricante debe ser tomado en cuenta, después que el espesor mínimo haya sido obtenido por la fórmula, este mínimo espesor deberá incrementarse en una magnitud tal que contemple esta tolerancia de manufactura. 

5:

Cuando se calcula la máxima presión para un espesor ya establecido los valores obtenidos por las fórmulas pueden redondearse a la unidad de 10 más cercano superiormente. 

6:

La máxima presión admisible P no necesita incluir la carga hidrostática cuando se usa en esta fórmula. Donde S se obtiene de la tabla PG-23.1 tomando el material Acero al Carbono calidad ASTM 285 º C vamos a dicha tabla y comprobamos que para una temperatura de 700ºF, S equivale a 13 300 PSI. Además E será igual a 1.00 obtenido de la nota de referencia Nº 1de PG-27.4

58

y

Tabla Nº2 Factor de evaporización

V. A. Cálculo de la longitud circunferencial del casco: Lc Lc= π (D - tc) pulg. Donde: D: diámetro interior del casco; pulg. tc: espesor del casco; pulg. V. B. Longitud Longitudinal total del casco: L Considerando que el caldero a diseñar es de 3 pasos y con cámara seca posteriormente, se recomienda en forma práctica para permitir una buena circulación de los gases de combustión que la profundidad en la parte posterior (PP) entre placa portatubo posterior y tapa posterior debe ser mayor al 23% del diámetro interior del casco y la profundidad en la parte delantera (PD) entre placa portatubo delantera y tapa delantera debe de ser mayor del 14% del diámetro interior del casco. L = PD + 2ep + Lp + PP Donde: ep

:

espesor de las placas portatubos; pulg.

Lp

:

longitud entre placas; pulg.

59

Figura (j) Detalle de longitud longitudinal del casco: L

Figura (i) detalle de longitud longitudinal del flue: LL

V.C.

Calculo de la longitud longitudinal del flue: LL

El flue debe de sobresalir como recomendación 2” en la parte delantera (FD) para montar y desmontar las tapas delanteras sin necesidad de quitar el quemador. En la parte posterior para cámara seca debe sobresalir como mínimo ½”, tamaño del espesor FP

60

1.4.5. PARÁMETROS INDUSTRIALES PARTE MECÁNICA II 1.4.5.1.

PARA LA CONSTRUCCIÓN-

COPLES SOLDABLES

Teniendo presente que la caldera es un generador de vapor a presión tenemos que tener presente que constará de coples para la instalación de líneas tanto de salidas como de entradas de fluidos, es así que para nuestros casos necesitaremos: 1. PARA SALIDA DE VAPOR: Que es el fluido generado en el caldero y que luego se descargará de este. Sabiendo que según código ASME que las velocidades de fluido varían con su presión, recomiendan la siguiente tabla: De 0 a 50 psig. :

Velocidad de 4000 a 6000 pies/min

De 50 a 199 psig.:

Velocidad de 600 a 10000 pies/min

De 200 psig a más:

Velocidad de 7000 a 12000 pies/min

Con estos datos obtendremos el diámetro del cople de la salida de vapor, mediante la siguiente ecuación sabiendo que: o

m=

VA v

Donde: o

m : Flujo de vapor a la presión de diseño; lb/hr. V: velocidad de tabla; pies/min v: volumen específico del vapor; pie3 /lb. A: Área del cople (pulg2) Además

D 2 A 4 Donde: D: diámetro interior de la copla (pulg.) De la tabla (2) comprobamos el factor de evaporación.

61

A. BAFFLE INTERNAMENTE AL COPLE DE LA SALIDA DE VAPOR Área del cople = N x Área del aguajero del baffle Donde: N = Número de agujeros del baffle

 d 2 D 2  N  4  4

   

Donde: D

:

Diámetro del cople

d

:

Diámetro del agujero del baffle

D2 = Nd2



1 d  D  N

1/ 2

B. BAFLE PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN El agua líquida es el fluido con que se alimentará la caldera, y que al recibir calor se convertirá en vapor. Por lo tanto obtendremos el mismo flujo de agua a ingresar a la caldera de la siguiente ecuación: 



V  m v Donde: 

V : Flujo volumétrico de agua o

m : Flujo másico de agua mínima v : volumen específico Además sabiendo que: o

V A  ; Donde V: velocidad del agua V Se recomienda que el flujo que ingresa a la caldera debe ser el doble o el triple del flujo mínimo Tener presente que para calderas el código ASME recomienda que el cople mínimo para la línea de agua de alimentación debe ser de ¾ pulg. C. COPLA PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN (Opcional)

62

La copla seleccionada anteriormente servirá para la alimentación de agua mediante una electrobomba para agua. Además se recomienda que para evitar el constante funcionamiento de la electrobomba, se instale un inyector de agua para el cual necesitamos instalar otro cople de la misma característica que el anterior. Nota: Se recomienda que a los calderos mayores de 80 BHP se les instale obligatoriamente un inyector para alimentar de agua al caldero como auxilio a la electrobomba. D. COPLA PARA VÁLVULA DE SEGURIDAD Como un sistema de seguridad mecánico se recomienda instalar una o varias válvulas de seguridad que como mínimo descarguen la misma cantidad de libras de vapor /Hr que se generará en la caldera. E. COPLA PARA PURGA DE ESPUMA Si en el límite entre el agua y vapor tiende a producirse espuma, lo cual puede ser arrastrada por el vapor a la hora que este se descarga de la caldera, originando que dicho vapor no salga seco sino que arrastre humedad, se recomienda purgar cada cierto tiempo esta espuma, como mínimo debe ser 1’’ de diámetro soldable. F. COPLA PARA PURGA DE FONDO Debido a que en el caldero se van a precipitar sedimentos – caliche, se recomienda eliminarlos mediante purgadas en la parte más inferior de la caldera por tal motivo se recomienda instalar como mínimo un cople que sea el 25% o mayor en cuanto a la capacidad del cople de la alimentación de agua, mínimo de 1 ¼’’ de diámetro soldable. Nota: Para calderas mayores de 80 BHP se recomienda instalar dos coples para purga de fondo. G. PARA INSTALACIÓN DE LA COLUMNA DE NIVEL Estos controles tienen dos conexiones de 1 pulg de diámetro. H. COPLA PARA TEMPERATURA DE CHIMENEA El colocar un termómetro en la chimenea es para poder comprobar si la temperatura de los gases o la salida de la chimenea es mayor a la temperatura

63

de rocío de dichos gases lo cual hay que controlar, generalmente es de ½’’ de diámetro soldable con rosca. 1.5. LA CHIMENEAS La fuente generadora de calor nos los proporciona la combustión de los combustibles los cuales recorren el caldero a través de los tubos en forma de gases, estos deben de salir a través de la chimenea, el Código ASME recomienda para calderas de:

1.6.

Hasta 42 pulg. de diámetro

chimenea de 9 ¾” Ф

Desde 48 a 60 pulg. de diámetro

chimenea de 11 ½” Φ

De 64 pulg. de diámetro

chimenea de 14 ½” Ф

De 76 pulg. de diámetro

chimenea de 18” Ф

De 82 a 96 pulg. de diámetro

chimenea de 28” Ф

De 112 pulg. de diámetro

chimenea de 34” Ф

BASE DE LA CALDERA

El código ASME recomienda que para una caldera de 42 pulg de diámetro su base debe tener una altura mínima de 12 pulg desde la parte inferior del casco al piso. Debe estar hecha de planchas de Acero Estructural calidad ASTM 283, de ¼ pulg de espesor, dejando un buen acceso para la instalación de las tuberías de los drenajes. 1.7.

TAPAS DELANTERA Y POSTERIOR

Deben estar hechos de planchas estructurales calidad ASTM 283, de ¼ pulg de espesor como mínimo. La tapa del 2do paso debe recubrirse con refractario (aislante), internamente para evitar tanto la fuga de calor como la deformación de dicha tapa, pues esta zona es una de las más calientes. Deben estar sujetos el casco y Flue u horno o cámaras de combustión, de la caldera a través de pernos de acero grado 5 de preferencia. 1.8.

TAPAS DE REGISTRO O TAPAS HAND HOLE O ENTRADA DE MANO

Con el afán de chequear e inspeccionar el estado interno de la caldera se recomienda colocar como mínimo 3 tapas de HAND HOLE, elípticas las cuales pueden ser de 3 pulg x 4 pulg o el de 3 ½ x 4 ½ pulg. Estas deben colocarse una en la parte inferior de la caldera y las otras dos en los lados laterales de la caldera.

64

Opcional También se recomienda instalar tapas elípticas denominadas MAN HOLE o entrada de hombre para poder inspeccionar mejor la caldera, de 15’’x11’’, o 12’’x16’’ Estas tapas se deben instalar de preferencia para calderas cuyo diámetro del casco es igual o mayor que 48 pulg. Además se recomienda que dicha tapa elíptica se instale en la parte superior de dicha caldera. DADURAS 1.9. SOLDADURAS La soldadura juega un papel muy importante en la construcción de la caldera, las uniones hechas con este proceso soportan fuerzas considerables por efectos de la presión interna de la caldera, y los esfuerzos térmicos (dilataciones y contracciones). La parte PW-17 de la sección I del Código ASME, trata de las uniones soldadas, donde los requerimientos de la misma pueden ser resumidos de la siguiente manera:  La soldadura al tope del tipo circunferencial y longitudinal del casco o de cualquier superficie cilíndrica a presión, debe ser hecha a ambos lados (artículo PW-9-1)  Los biseles de las partes a soldar deben garantizar una fusión y penetración completa (artículo PW-9-2).  Todas las uniones longitudinales y circunferenciales deben ser radiografiadas en su totalidad(artículo PW-11)  Las uniones deben ser sometidas a tratamiento térmico antes y después del proceso, necesitándose un pre y postcalentamiento. Se requiere que las uniones soldadas se realicen practicando biseles a las piezas a unir con el fin de garantizar una buena penetración, necesitándose además un cordón libre de grietas y poros. Para efectuar este tipo de cordón se recomienda usar un equipo de soldadura de arco sumergido (MIG) y emplear un electrodo cuya resistencia a la tracción sea mayor en un 10% que el material a soldar. Es decir, que si se tiene que los materiales normalmente empleados, en la fabricación de caldera Pirotubulares de hasta 300 PSI de presión, son de una resistencia de 60 000 PSI se recomienda usar electrodos de 70 000 PSI de resistencia. Es por estos motivos que para nuestro diseño usaremos máquinas de soldar eléctrica y los electrodos a utilizar en la parte propiamente del caldero (casco, placa portatubo, Flue u horno) serán el supercito o E-7018 y el ferrosito 24 o E7024 y en el lado de la base y las tapas se usará cellocord AP o E-6011 así como el Overcord S ó E-6013. 1.9.5. Supercito ó E-7018

65

Es un electrodo básico de baja aleación y revestimiento simple además es de baja composición de hidrógeno que otorga al material depositado buenas propiedades mecánicas. Son aplicados para calderas de alta presión. Su contenido de polvo de hierro mejora la soldabilidad, aumenta la penetración y deposición, mejorando al mismo tiempo su comportamiento en distintas posiciones conocido comúnmente como el electrodo de punto naranja. Tiene una resistencia a la tracción desde 81 000 a 85 000 PSI. 1.9.6. Ferrocito 24 ó E-7024 Es un electrodo con revestimiento grueso, rico en hierro en polvo especial para soldaduras rápidas y seguras. Su arco es suave y veloz, de gran rendimiento y con escaso chisporroteo, dando como resultado depósitos de óptima calidad. El arco se inicia instantáneamente al simple contacto; es muy estable y la escoria tiene tendencia a levantarse por si sola. Usado en la fabricación de tanques, calderas y puentes; conocido comúnmente como electrodo de punto amarillo. Tiene una resistencia a la tracción entre 70 000 a 80 000 PSI. 1.9.7. Cellocord AP ó E-6011 Es un electrodo celulósico convencional, de penetración profunda y uniforme, especialmente indicado para ser usado con equipo de soldadura de corriente alterna. Su arco potente y muy estable produce depósitos de muy buena calidad, aún soldando sobre materiales sucios, oxidados y sobre escoria, prestándose por esta razón a ser usada por operarios de poca experiencia conocido como el electrodo de punto azul. Tiene una resistencia a la tracción de 65 000 a 77 000 PSI. 1.9.8. Overcord S ó E-6013 Es un electrodo rutílico de revestimiento grueso para producir cordones y filetes de extraordinarios aspectos y con características mecánicas sobresalientes. El encendido del arco es inmediato al tocar con el electrodo la pieza a soldar y es excepcionalmente silencioso y suave. La penetración a bajos amperajes es inferior a la que se obtiene con otros electrodos en igualdad de condiciones, lo que constituye una ventaja para soldar chapas delgadas, la remoción de la escoria es facilísima y se levanta por sí sola. Soldaduras de última pasada para obtener finos acabados, conocida como el electrodo de punto marrón. Tiene una resistencia a la tracción de 69 000 a 74 000 PSI.

66

Un ejemplo de tipos de soldadura que se presentan en las calderas Pirotubulares como se indican en la figura siguiente, donde se pueden apreciar los tipos de bisel y cordones de soldadura necesarios para poder fabricar dichos equipos.

Figura. Formas constructiva de las principales soldaduras en las calderas. Problemas de soldadura. Hay ciertos problemas de soldadura que los buenos procedimientos de soldadura y soldadores expertos tratan de evitar. Como se observa en la figura y recomendaciones que se debe de tener en cuenta para evitarlos:

67



Las inclusiones de escoria. La escoria es perjudicial por que impide y aminora la resistencia de una unión soldada.



La porosidad. Son los vacíos o bolsas de gas dejados en ella, como resultado de un proceso incorrecto o de dificultades durante dicho proceso.

Figura. Algunos defectos soldadura: (a) porosidad; (b) penetración inadecuada; (c) fusión incompleta; (d) soldadura incompleta; (e) cavidad en raíz; (f) inclusiones de escoria; (g) penetración incompleta de la raíz; (h) función lateral incompleta. 

La tensión residual. Es aquella tensión interna remanente en el material fundido y material adyacente de base cuando se ha realizado una soldadura. Ha sido causado por el alto calor concentrado por la soldadura comparado con el metal más frió.



Las grietas. Son causadas normalmente por alguna forma de dilatación y contracción durante la soldadura. Sin embargo, cada tipo de grieta tiene sus causas específicas.

Los defectos de soldadura normalmente pueden reparase por amolado, lijado de la sección defectuosa (vacíos, grietas térmicas, falta de penetración).

68

Figura. Grietas en las soldaduras. Las grietas en las soldaduras tienen múltiple causas. El código no permite que las grietas permanezcan sin corregirse, porque actúan como concentradores de tensión para ulterior propagación de la grieta. Precalentamiento. El precalentamiento se recomienda por los ingenieros de soldadura para los aceros aleados en orden a reducir el nivel de diferencia térmica que existe entre el metal base de la zona próxima a la soldadura y el baño de soldadura. Tratamiento térmico. Este procedimiento aminora las tensiones y mejora la resistencia elástica de las soldaduras metálicas de aceros al carbono y aceros aleados. El concepto del tratamiento térmico post-soldadura es relajar cualquier tensión residual causada por soldadura y temple del metal, lo que evitara la fragilidad y rotura. Consideraciones metalúrgicas. Algunas consideraciones metalúrgicas puede hacerse cuando uno contempla un proceso de soldadura. Deben tenerse en cuenta las siguientes: 1. Soldabilidad de las piezas a unir. El Código puede imponer restricciones severas.

69

2. Condiciones de superficie necesarias y compatibilidad de las propiedades químicas y mecánicas de los metales base al proceso de soldadura que se está utilizando. 3. La semejanza de los materiales de relleno o electrodos y los metales de base para evitar posible fragilidad de la soldadura. 4. Adecuación del proceso de soldadura para el tipo, espesor y aleaciones de los metales a soldar. 5. Evaluación de los defectos del precalentamiento y tratamiento térmico post-soldadura. Para metales con altas tasas de dureza, un enfriamiento lento evitar el agrietamiento de la zona afectada por el calor. PRUEBAS NORMALIZADAS DE SOLDADURA. La sección IX del Código ASME de calderas y recipientes a presión contiene detalles sobre especificaciones por los fabricantes y las pruebas que deben por un soldador calificado: 

Prueba de doblado o flexión de cara.



Prueba de doblado o flexión lateral.



Las pruebas de tensión.

Cuando se rompen bajo presión, deben tener una ultima resistencia o tracción al menos del rango mínimo de la chapa que se suelda (material base) y la elongación debe ser como mínimo del 20%. La prueba consiste en el doblado o flexión en frió de un espécimen y las fibras exteriores de la soldadura deben alargarse (sin agrietarse ni romperse) al menos un 30% antes de que la rotura tenga lugar. Para pasar cada prueba, los especimenes, guiados a flexión no deben presentar grietas u otros defectos abiertos que excedan de ½’’ (12.2mm) medidos en la dirección de la superficie convexa del espécimen después de la deflexión, excepto que las grietas aparezcan en las esquinas del espécimen durante la prueba y no se considera a no ser que estas ocurran por inclusiones de escoria u otros defectos técnicos de soladura. A. PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Cada fabricante o contratista que construye una caldera por soldadura según el Código está obligado a llevar el registro del detalle del procedimiento seguido. Cada procedimiento requiere prueba de las soldaduras realizadas por tests de especimenes de sección reducida y especimenes de flexión o doblado guiado. Las variables que requieran un nuevo procedimiento y nuevas chapas de prueba son muy numerosas. Entre éstas están los cambios en los materiales de base, agrupados en Aplicaciones de soldadura ASME (Sección IX) en los números «P». Por ejemplo, P-l incluye los aceros al carbono, P-2 se utiliza como hierro bruto, pero no está listado más, P-3 consta de aceros al cromo-

70

molibdeno, con contenido de cromo por debajo del 0,75 por 100 y con un total de contenido de aleación no mayor del 2 por 100. El rango de números P llega hasta P-10, de modo que las variables de material base en el procedimiento de calificación es grande.

Figura. Las pruebas mecánicas de soldadura incluyen flexión guiada de las soldaduras de garganta. La ilustración es de la prueba de doblado de cara. Estos se relacionan con los numerosos P equivalentes del material base. De nuevo los cambios del metal soldado de la clasificación del metal más equivalente requieren un nuevo conjunto de test de chapas o procedimiento de calificación. El espesor de la chapa o tubo a soldar es otra variable. La clasificación va desde 1/16” a 3/8” (1,59 a 9,53 mm), desde 3/8” a 3/4” (9,53 a 19 mm) y de más de 3/4” como se ve en el Código. El código ASME de soldadura especifica otras variables a considerar al requerirse un nuevo procedimiento de calificación y prueba, y éstas deberían consultarse para variables específicas. En las soldaduras de garganta, se requiere para calificación del soldador una prueba de flexión o doblado de cara y una prueba de flexión o doblado de raíz para cada posición de soldadura. Calificación del soldador. Un soldador calificado es alguien que es capaz de realizar soldaduras manuales o semiautomáticas. Un operario de soldadura es el que opera una máquina o equipo de soldadura automática. El Código de trabajo de calderas exige la utilización de un soldador cualificado en la mayoría del trabajo donde se realizan soldaduras según el Código. Para llegar a esta calificación un soldador debe realizar soldaduras específicas, utilizando el proceso de soldadura exigido, el tipo de metal, espesor, tipo de electrodo, posición y diseño de junta, como se muestra en la figura.

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Figura Código de posiciones de soldar para soldaduras de garganta utilizadas para cualificar operadores. Posiciones de las pruebas: (a) ; (b) ; (c) ; (d) . Los especimenes de prueba deben estar hechos a tamaños normalizados y bajo la observación de una persona cualificada. En la mayoría de las especificaciones gubernamentales un inspector gubernativo debe testificar la ejecución de los especimenes de soldadura. Los especimenes deben estar también adecuadamente identificados y preparados para las pruebas. La prueba común es el test de flexión guiado. Sin embargo, los exámenes de rayos X, pruebas de rotura u otras pruebas también se utilizan. La ejecución satisfactoria de las pruebas de especimenes calificará* al soldador para tipos específicos de soldadura. La certificación según el Código, en general está basada en el rango del espesor a soldar, las posiciones a utilizar y los materiales a soldar. Recordamos de nuevo los siguientes puntos: 1. El fabricante o contratista que sigue el Código de soldadura en calderas y recipientes a presión (o vasijas nucleares) es responsable de dirigir las pruebas del procedimiento de calificación y las calificaciones de los soldadores para el trabajo hecho por su organización. 2. Las calificaciones de los soldadores permanecen efectivas en tanto en cuanto el soldador esté empleado por el mismo fabricante u organización y para las soldaduras de modo continuo. 3. El fabricante o contratista es responsable de mantener todos los registros de procedimiento y pruebas de calificación de soldadores. Estas son necesarias como evidencia del taller o habilidad del soldador para hacer aceptable su trabajo según el Código. Un inspector autorizado según el Código tiene derecho, sin embargo, a preguntar o exigir otras pruebas si hay razón para creer que la soldadura no es aceptable según los requisitos normativos.

72

4. El fabricante o contratista debe asignar números identificativos, letras o símbolos para cada soldador cualificado y operario de soldadura, de forma que el trabajo del soldador u operario de soldadura podrá ser identificado y retomado si es necesario. Los soldadores no cualificados pueden ser utilizados en calderas construidas según normativa legal para soldar piezas cuya resistencia en la caldera no depende en ningún modo de la soldadura y, adicionalmente, el efecto térmico de la soldadura no afecte en modo alguno a la resistencia de las piezas o componentes o sea asiento de tensiones en partes adyacentes a la zona que está siendo soldada. El calderín debe ser circular en cualquier sección dentro del límite del 1 por 100 del diámetro medio. Si es necesario para cumplir este requisito, las chapas deben ser calentadas, relaminadas o reformadas. Los hogares deben ser laminados (en calderas escocesa marinas o de hogar interior) con una desviación máxima de la circunferencia real de no más de 1/4” (6,35 mm). Las chapas de espesor desigual pueden soldarse supuesto que haya una sección de transición intermedia, que tendrá una longitud no menor de tres veces la diferencia entre las superficies de chapa adyacentes y supuesto que las juntas o uniones entre chapas difieran en espesor no más de 1/4 del espesor de la chapa más fina, o no más de 1/8” (3,2 mm). Hay muchos requisitos normativos detallados en la Sección 1 del Código, así como requisitos en el Código de calderas de calefacción, Sección IV. Además los requisitos generales de soldadura están cubiertos extensamente en la Sección IX del Código, que debería ser revisada para ver los detalles sobre los requisitos. B. INSPECCIONES DE SOLDADURA EN CAMPO Las siguientes son algunas áreas que el personal de planta debería cubrir o cumplimentar cuando se revisan las soldaduras realizadas en su planta: 1. Conformidad del proceso de soldadura que esté siendo utilizado con las especificaciones del procedimiento escrito. 2. Extensión de la limpieza de una junta previamente a su soldadura para asegurar una soldadura perfecta. 3. Precalentar y mantener las temperaturas de transición y ver cómo son éstas en comparación con los requisitos del Código para los materiales que están siendo soldados. 4. Preparación de la junta y conformidad con las especificaciones del Código y dimensionales escritas. 5. Material de relleno y adecuación para el proceso de soldadura y el material que está siendo soldado según requisitos del Código. 6. Martilleo, amolado y vaciado que se llevan a cabo después de cada pasada de soldadura para eliminar escorias e impurezas. 7. Refuerzo de la chapas durante la soldadura para controlar la distorsión.

73

8. El tratamiento térmico después de la soldadura debe ser realizado y cumplido según el Código y los requisitos de temperatura y tiempo de mantenimiento de la misma. 9. Calificación de los soldadores que hacen el trabajo y la correspondiente documentación a cumplimentar por el fabricante o contratista. C. NORMAS DE SEGURIDAD. La AWS (American Welding Society) ha publicado muchas líneas maestras a seguir como normas recomendables de seguridad al realizar las soldaduras de campo. Entre éstas están las siguientes: 1. Los gases y humos generados por una soldadura requieren adecuada ventilación alrededor del lugar donde se efectúa. 2. La radiación en forma de luz ultravioleta del arco de soldadura requiere el uso de filtros para proteger los ojos y vestido adecuado para proteger la piel. 3. El ruido producido por el trabajo requiere utilizar protección de oídos en forma de casco u orejeras. 4. El levantamiento de piezas pesadas exige seguir las reglas establecidas de seguridad sobre prácticas adecuadas de elevación. 5. Las descargas eléctricas deben evitarse estando seguros de que el equipo está conectado a tierra adecuadamente y de que no hay contacto con partes eléctricas vivas. 6. El peligro de incendio debe evitarse con la purga adecuada de cualquier recipiente que contenga gases o líquidos combustibles. La zona contigua de toda soldadura debe comprobarse respecto a todo material combustible y los procedimientos de protección de incendios deben seguirse, incluso la vigilancia y extintores a localizar y situar en las proximidades. 7. Es esencial tener un procedimiento para el permiso de trabajo en caliente del lugar, implicando la supervisión por ambas, tanto la gerencia de la propiedad como del contratista de soldadura. La gerencia de la propiedad conoce los riesgos que pueden existir en su operación por utilizar una fuente de ignición potencial representada por toda operación de corte o soldadura. 8. La entrada en espacios cerrados según la normativa OSHA requiere procedimientos de purga y después prueba del espacio confinado para estar seguro de que hay al menos 19 por 100 de oxígeno presente en dicho espacio del recipiente o vasija. La regulación también requiere que se sigan otras normas de OSHA para entrada en espacios confinados como la de que no se ponga en peligro al personal que entre’ en tales espacios y que haya seguridad de socorro en caso de accidente en su interior.

74

1.10. PRUEBAS (NDT)

NECESARIAS

PARA

CALDERAS

PIROTUBULARES

Debido a que las calderas son equipos a presión, generadora de vapor, se recomienda realizar las siguientes pruebas: 1. Pruebas y ensayos de partículas magnéticas. Estas pruebas se usan para detectar fallos superficiales por medio del establecimiento de un campo magnético o líneas de fuerza magnética, entre dos electrodos. Se rocía con un polvo magnético sobre el trabajo de prueba. El campo magnético afectará al polvo magnético y estas partículas se alinearán sobre un fallo, como se ve en la Figura

Figura Inspección de partículas magnéticas. Las discontinuidades en material magnetizado desarrollan campos de fuerzas magnéticas localizadas. (Cortesía de Power magazine.) Pero la interpretación correcta de las concentraciones de polvo magnético requiere experiencia y práctica. La inspección por partículas magnéticas es un medio práctico de señalar discontinuidades de labio cerca de la superficie de una pieza. Tanto el método seco como el húmedo están disponibles en la actualidad. Las discontinuidades en un material magnetizado hacen aflorar campos de fugas localizados. Y estos campos atraen a las partículas finamente divididas. Este último

75

punto señala el defecto y marca su extensión sobre la superficie de la pieza sometida a inspección. Ambos tipos de corriente, continua y alterna, se utilizan para magnetizar. La corriente continua (cc) es útil para encontrar discontinuidades bajo la superficie y se utiliza normalmente para inspeccionar soldaduras y fundiciones. La corriente alterna (ca) se emplea normalmente cuando se comprueban piezas mecanizadas de gran precisión y acabado fino. 2. Inspección de líquidos (tintes) penetrantes. Este método de prueba se utiliza de modo algo parecido a las pruebas de partículas magnéticas, excepto que se usa principalmente sobre materiales no magnéticos. Pero puede utilizase sobre material magnético. El tinte penetrante contiene un tinte visible, normalmente rojo. Las indicaciones de los defectos aparecen como líneas rojas o puntos contra el fondo blanco del revelador. Es principalmente un indicador de defectos superficiales y se utiliza como sigue: se aplica un tinte penetrante a la pieza en baño o inmersión, con brocha o spray y se le deja situarse durante algún tiempo. Después del tiempo apropiado de penetración, el exceso de líquido penetrante se elimina de la superficie y se aplica un revelador. El líquido penetrante queda atrapado en el defecto y se lleva a la superficie por la acción del revelador, como se muestra en la figura.

Figura.- La inspección por líquido penetrante implica cuatro pasos para revelar un defecto: (a) se aplica un tinte rojo y se le permite penetrar en un defecto sospechado; (b) el exceso de tinte se elimina de la superficie; (c) se aplica Las grietas se detectan al notarse el contraste entre el color blanco del revelador y el rojo del líquido penetrante. Otro sistema de penetración utilizado es el método fluorescente penetrante que contiene un material que es fluorescente y brilla bajo una luz negra. Las indicaciones de los defectos aparecen como líneas fluorescentes o puntos contra el fondo no fluorescente. Las ventajas del método de tinte penetrante son las siguientes: es de suministro rápido en el sistema de inspección de puntos durante una parada menor por períodos

76

de cierre; el coste inicial de la prueba es relativamente bajo. Una superficie perfectamente blanca o tipo sábana indica que hay ausencia de grietas u otros defectos que estén abiertos a la superficie. Las desventajas son que no es práctico sobre superficies muy bastas o rugosas y que el color de contraste es limitado sobre algunas superficies. También que sólo detecta defectos abiertos a la superficie. 3. Inspecciones ultrasónicas. Las pruebas ultrasónicas hacen uso de ondas sónicas de alta frecuencia de 0,5 a 10,0 MHz para inspección del material en busca de grietas o defectos y para medir el espesor de chapa o pared. El principio básico utilizado en un sistema de ultrasonidos es la transformación de un impulso eléctrico en vibraciones mecánicas y después la retransformación de las vibraciones mecánicas en impulsos eléctricos que puedan verse o mostrarse en una pantalla denominada pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT). La figura muestra una disposición de una probeta en la que el cristal o transductores están montados para generar energía mecánica longitudinal (sonido) o angular en una pieza de prueba.

Figura. Detalles de la probetas de cristal detectoras de ultrasonidos para sistemas de detección longitudinal. Y axial. El tubo de rayos catódicos (CRT) se emplea en muchas aplicaciones para hacer visible cualquier onda que puede ser convertida en un chorro o haz de electrones. Para evaluar la información mostrada en la pantalla del tubo de rayos catódicos (CRT) debe seguirse una calibración técnica de modo que puedan compararse o captarse los defectos con relación a bloques de referencia externos. El objeto principal de estos bloques es: 1. Calibrar el instrumento para un tiempo base para ondas longitudinales o transversales.

77

2. Medir ciertas características de las probetas y del aparato. 3. Ajustar la sensibilidad y comprobarla periódicamente para validarla y que permanezca constante a lo largo de una prueba. 4. Tener un procedimiento escrito de modo que los ajustes y calibrado puedan ser duplicados posteriormente. Las pruebas ultrasónicas están agrupadas en tres categorías básicas: 

pruebas de impulso-eco



transmisión transversal.



prueba de resonancia.

Como con los métodos de prueba no destructivos, hay distintas ventajas e inconvenientes asociados con las pruebas ultrasónicas. Las ventajas de estas pruebas son: 1. Alta sensibilidad, permitiendo la detección de defectos minúsculos. 2. Energía penetrante, permitiendo la detección e inspección de secciones de gran espesor. 3. Precisión en la localización y medida del tamaño del defecto. 4. Rápida respuesta, permitiendo una inspección rápida. Las desventajas de las pruebas ultrasónicas son que puedan estar limitadas por la geometría desfavorable de la pieza, como tamaño común, contorno, complejidad y orientación relativa del defecto; y la estructura del material, como el tamaño del grano, porosidad y contenido de inclusiones o precipitados finos dispersos. 4. Prueba de corrientes parásitas. El principio subyacente de las pruebas por corrientes vagabundas o parásitas es la medida de la impedancia del flujo electrónico en la pieza que está siendo probada. Las corrientes eléctricas débiles o corrientes parásitas son inducidas por una probeta que contiene bobinas inductoras y sensores. Las inspecciones de corrientes parásitas a partir del diámetro exterior de los tubos de intercambiadores permiten la detección de picaduras externas-internas, reducción de espesor, grietas, vacíos, inclusiones, descinficación y carbonización. Estas condiciones pueden ser identificadas por probadores expertos y localizadas a lo largo de la pared de la tubería. La seriedad del defecto puede juzgarse a partir de los resultados por comparación con los defectos en un elemento normal (espécimen). 5. Radiografías a los cordones de soldadura- Rayos X Se recomienda evaluar la soldadura o uniones soldadas longitudinales y circunferenciales en su totalidad, mediante radiografías. Mediante esta evaluación se determinará si cumplen con los requerimientos mínimos solicitados por las normas en uso.

78

Los cordones de soldadura rechazados serán reparados e inspeccionados nuevamente hasta su aceptabilidad antes de entrar en servicio. Una vez comprobado que los cordones de soldadura se encuentran aceptables se procederá a una segunda prueba importantísima. Tabla (a) Máxima tensión (kV punta)

Pantallas

50

Ninguna

150

250

400

1.000

2.000 15-24 MeV*

Ninguna o lámina de plomo Fluorescente Lámina de plomo Fluorescente Lámina de plomo Fluorescente Lámina de plomo Fluorescente Lámina de plomo Lámina de plomo Fluorescente

. . Aplicaciones y limites aproximados de espesor practico Secciones metálicas extremadamente delgadas. Madera, plásticos, especímenes biológicos, etc. Aleaciones ligeras, 5” (127 mm). Aluminio o equivalente; 1” (25,4 mm) acero o equivalente 1 ‘/2” (38 mm) acero o equivalente 2” (50,8 mm) acero o equivalente 3” (76,2 mm) acero o equivalente 3” (76,2 mm) acero o equivalente 5” (101,6 mm) acero o equivalente 5” (127 mm) acero o equivalente 8” (203,2 mm) acero o equivalente 8” (203,2 mm) acero o equivalente 16” (406 mm) acero o equivalente 20” (508 mm) acero o equivalente

* Millones de electronvoltios Tabla (b) Material

Vida media

Millones electronvoltios rayos

Cobalto Cesio Iridio

60 5,3 años 137 33 años 192 70 días

1,17-1,33 - 0,66 0,137-0,651

Espesor de la de aplicación de acero en de pulgadas 1,5-5 1,0-4 0,5-2,5

Tablas (a) Máquinas típicas de rayos X utilizadas en radiografías para comprobar defectos metálicos. (b) Fuentes radiactivas de rayos gamma utilizadas en radiografías para detectar defectos de material.

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6. Prueba de Alivio de Tensiones o Tratamiento Térmico de la Caldera. El tratamiento térmico de la caldera ya soldada es importante para aliviar las tensiones residuales que posee el material como consecuencia del proceso de conformado de la planchas (rolado) y del proceso de soldadura ya que en este último existe transformaciones estructurales que generan tensiones durante el enfriamiento. El tratamiento térmico de alivio de tensiones normalmente se debe realizar a la caldera ya soldada (placas, casco, flue y bases), colocándola dentro de un horno con quemadores de petróleo o gas con control de temperatura. El artículo PW.38 del Código ASME recomienda a temperatura de precalentamiento de acuerdo al material a soldar. Para los materiales más comúnmente usados (resistencia a la tracción aprox. 60 000 PSI, composición de carbono menor a 0.3% y espesor menor de 1 pulg.), aplicar un precalentamiento de 175ºF a 250ºF (80-121ºC). Asimismo, respecto al post-calentamiento, el artículo PW-39 recomienda que para materiales ferrosos de bajo carbono, la caldera a tratar térmicamente debe mantenerse a una temperatura de 1100ºF (593º). El enfriamiento hasta los 200º como máxima temperatura, debe ser realizado en el horno en un lapso de tiempo que sea el doble del tiempo que duró el alivio de tensiones. 7. Prueba Hidrostática de la Caldera Luego que la caldera ha sido fabricada, debe someterse a la prueba hidrostática, la cual está especificada en el reglamento PG-99 del Código ASME que indica que se debe aplicar gradualmente una presión de 1.5 veces la máxima presión admisible o de diseño, que será estampado en las calderas. Esta presión no debe exceder al 6% y no es necesario someter la caldera a una exhaustiva inspección de fugas. Luego se debe bajar la presión hasta la máxima presión admisible y ella deberá mantenerse mientras se hace una exhaustiva inspección de fugas, durante un tiempo de 24 horas. 8. Pruebas de Combustión Una vez instalado el quemador se debe regular el ingreso del aire de acuerdo a la cantidad de combustible a combustionar, controlando los gases a la salida de la chimenea mediante un aparato denominado analizador de gases ORZAT, al mismo tiempo se verifica la temperatura de salidas de gases. 9. Pruebas de Funcionamiento  Se comprueba el funcionamiento de la electrobomba de agua y el quemador de acuerdo al control de la columna de nivel. 

Se comprueba control de limitador de presión, así como despegue de válvula de seguridad. Al mismo tiempo se comprueba el funcionamiento de los demás controles como el Warrick (control tipo electrodo).

Selección del método NDT. La amplia selección o abanico de métodos NDT requiere considerar la fortaleza y sensibilidad de cada método, y cuál puede ser el defecto que nos concierne. Frecuentemente habrá de ser utilizado más de un método NDT para hallar y evaluar discontinuidades.

80

1.11. AISLANTES Se utilizan para evitar fugas de calor. 1.11.5. Material Refractario de la Caldera El empleo de refractarios en las calderas se debe a las siguientes razones:  Proteger a las superficies metálicas expuestas a altas temperaturas, que no constituyan superficies de calefacción. 

Mantener una temperatura elevada para el desarrollo de la combustión en el caso del cono refractario de la cámara de combustión.

 Aislar la perdida de calor al exterior, en el caso de las puertas, aunque aquí el material refractario normalmente se usa combinado con una capa interior de aislamiento de alta temperatura como la fibra cerámica o planchas de asbesto.  Conformar una pared divisionaria (tabique) o deflector entre dos pasos de la caldera, como por ejemplo entre el segundo y tercer paso de una caldera de 3 pasos. En las calderas se usan ladrillos y morteros refractarios cuyos componentes de base son la sílice y alumina. En calderas de tamaño grande se emplean ladrillos y morteros o la combinación de ambos, pero en caldera de reducido tamaño (de hasta 200 BHP), es preferible el empleo de morteros. Los morteros refractarios pueden ser de tres tipos: 

De fraguado al ambiente-hasta temperaturas menores de 1800 ºC



De fraguado al calor- para temperaturas mayores 1800 ºC.



De base especial-sílice, magnesita y carburo de sílice

Los mismos que se usan con sus ladrillos adecuados. En la caldera, donde la temperatura es de 1070ºC en la zona del cono, se recomienda usar mortero silito aluminoso de fraguado al aire, cuyas características más importantes es de trabajar a temperaturas de hasta 1500ºC y de resistir a la abrasión producida por la llama y gases. Su densidad es de 1800 Kg/m3 y su conductividad térmica es de 0.001 Kw/m ºC. La preparación de este mortero se realiza mezclándolo con 15 a 20 % de agua e instalándola mediante encofrado o aplicado a presión mediante un equipo neumático especial. Debe tenerse cuidado que al realizar el encofrado de los siguientes aspectos: 

Considerar juntos la dilatación adecuada, sobre todo cuando se van a confeccionar paredes o superficies planas de regular tamaño.

81

 Los anclajes deben ser seleccionados de tal forma que soporten el material fraguado y no ser tan grandes que al dilatarse al calor, no rajen el refractario fraguado. 1.11.6. LANA DE VIDRIO- TIPO COLCHONETAS Se instalan cubriendo todo el cilindro- casco de la caldera Pirotubular, para evitar la fuga de calor. Vienen en colchonetas de 2 pulg de espesor mayormente, cuyo espesor es el recomendable para estos equipos. Instalándolo al casco mediante anclajes y pegamento especial. 1.11.7. ASBESTO Se utiliza en polvo para utilizar en las tapas, antes de colocar los refractarios. Además se utilizan en forma de soga trenzada para hermetizar las tanto delantera como posterior al borde del casco y listones o separadores de las tapas. Así también en la hermeticidad del quemador se utilizan planchas de asbesto de 1/4,5/16,3/8,1/2 pulg de espesor como las más comunes. Su conductividad térmica equivalente a 0.8 a 0.15 kcal/m2HrºC. 1.11.8. NEOPRENE Es un tipo de jebe especial para altas temperaturas, se utiliza mayormente para el sellado de las tapas elípticas tanto de HAND HOLE como de MAN HOLE. 1.11.9. PINTURAS Luego de la limpieza externa, todo el caldero se procede a pintarlo con pintura base anticorrosivo-Epoxico de preferencias para asegurar la protección metálica de la oxidación y/o corrosión. Luego se le pintara con pintura esmalte acabado para soportar grandes temperaturas.

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1.12. EJEMPLO DE APLICACIÓN En un hotel “de tres estrellas” con capacidad de 50 dormitorios (10 individuales, 30 duplex y 10 multifamiliares para 4 personas) los cuales tienen duchas, tinas y duchas mas tinas respectivamente. Además se tiene 5 fregaderos, 10 lavadores adicionales, 10 lava platos, 4 eliminadores de desechos sobrantes. El agua debe calentarse hasta 60ºC aproximadamente estando el ambiente a 15 ºC y la cocina requiere mínimo 230 lb/hora de agua

y la lavandería 320 lb/hora. Se pide diseñar la caldera a adquirir. Solución. De tablas se tiene. Duchas: 10x285

=

2850

Tina: 30x76

=

2280

Duchas-tinas: 10(285+76) =

3160

Fregaderos: 5x115

=

575

Lavadoras: 10x30

=

300

Lavaplatos: 10x300

=

3000

Elim. de desechos: 4x105

=

420

Total:

13035 lt/hr.

83

Consumo:

(Factor de demanda = 0.25 de tabla)

consumo.total  factor.de.demanda  total  0.25 x 13035 = 3258.75 lt /hr

Como:  w  8.33 lb

g ln





 8.33 lb  3258.75 lt g ln hr  Flujo másico:  7171.8328 lb/ hr 3.785 lt g ln 

*

El calor será: Q  m  Ce   T 

Q  (7171.83lb / hr ) x(1BTU / lb º F )(140  59)º F 

Q  580918.46 BTU / hr. 

Si el calentador de agua tiene una eficiencia de 85%  Q T  683433.5 BTU / hr. 1BHP = 34475 BTU/hr.





Q T  19.82 BHP

Estos son proporcionados por 19.82x34.5 = 683.93lb/hr. de agua. Luego tenemos:

Para dormitorios: 683.95 lb/hr. = 19.82 HP. Cocina:

230lb/hr.

= 6.667HP.

Lavandería:

320lb/hr.

= 9.275 HP.

Total:

35. 76 HP.

Si se considera una eficiencia de caldera de 85%  42 HP. Entonces seleccionaremos una caldera de: Potencia

: 50HP

Tipo

: Pirotubular

Pasos

:3

Superficie de calefacción

: 250pies2

Producción de vapor

: 1725lb/hr.

Consumo de combustible Nº2

: 15ghp.

Gas

: 2100MBH

Presión de Diseño

: 200 Psi

Configuración parte posterior

: Cámara Seca

84

85

PARAMETROS INDUSTRIALES CALDERAS PIROTUBULARES

PARA

LA

CONSTRUCCIÓN

DE

PARTE MECANICA I PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA CALDERA PIROTUBULAR Según código ASME recomienda los siguientes diámetros de Caldera de acuerdo a la potencia de la misma: Potencia

Diámetro

(BHP)

(Pulgadas)

De 20 a 60

-

42

De 60 a 100

-

48

De 100 a 150 -

60

De 150 a 225 -

64

De 225 a 350 -

76

De 350 a 400 -

82

De 400 a 600 -

88

De 600 a 700 -

96

De 700 a 800 -

112

Por lo tanto como la potencia de la caldera a diseñar es de 50 BHP consideraremos: D = 42’’ 1. LAS PLACAS PORTATUBOS – ESPEJOS Para nuestro diseño tomamos:

P = 200 PSIG

presión de diseño

Por lo tanto asumiendo un espesor de placa de ½ pulg que equivale a 8/16” con el valor de C = 135 se hallara el paso máximo de los refuerzos. Luego se tiene como dato de cálculo para: T=8 P = 150 PSIG C = 135 Reemplazando en la ecuación tendremos: 1/ 2

T 2 C   8 2  135      p    P   200  p  6.57"  p  6 7/8"

1/ 2

Posteriormente para la distribución de tubos se recalculara si es que necesita refuerzos

86

Para la confección de las placas portatubos se seleccionara el material Acero al Carbono Calidad ASTM 285º C, 1/2” de espesor y 42” de diámetro.

II. EL HOGAR O CAMARA DE COMBUSTION Tomando en cuenta que el caldero a diseñar es de 50 BHP seleccionaremos un Flue liso. Para nuestro diseño sabemos que:

P = 200 Psig.

Por experiencia se recomienda que el diámetro exterior del Flue esté dentro del rango de 35 al 50% del diámetro interior del casco o diámetro de la placa. Por lo tanto para nuestro diseño consideraremos el diámetro exterior del Flue: Do = 16 pulg. , que equivale al 38% del diámetro de la placa (42”) Además, considerando un espesor equivalente a 1/2” obtendremos que la relación.  t   Do

1  2    0.03125  0.023  16

Por tal motivo utilizaremos:

 t   - 275 P  17300  Do  P  173000.03125 - 275 P  265.6 psig

El cual es mayor que la presión de diseño que es de 200 Psig por lo tanto es correcto dicho espesor. Luego nuestra cámara de combustión será hecha de Material Acero al Carbono Calidad ASTM 285º C de 1/2” y de diámetro exterior igual a 16”. PARA CALCULAR LA LONGITUD CIRCUNFERENCIAL DEL FLUE SE PROCEDE A: Lcf = πDM: Lcf = π (16-1/2) Lcf = 48.69” Lcf = 48 3/4”

87

Fig. 1 Detalles constructivos del flue u hogar reforzado con anillos Las condiciones a cumplir, previas al cálculo son: Espesor del anillo: Tr

5/16” ≤ Tr ≤ 13/16” Tr ≤ 1.25t Relación altura-espesor del anillo: Hr/Tr

3 ≤ Hr/Tr ≤ 8 Espesor mínimo del Flue, tenemos: ½’’ Espaciamiento L: menor que 60t ó 36” Temperatura de diseño de Flue = 385ºC (725ºF) Según los cálculos de transferencia de calor es 725ºF. III. TUBOS DE FUEGO Para nuestro caso sabiendo que nuestro caldero es de 50 BHP; se recomienda utilizar tubos de hasta 2” de diámetro para poder asegurar una buena transferencia de calor. Por lo tanto seleccionando tubos de 2” de diámetro vamos a la tabla Nº12.1 del Código ASME PFT-12.1 y vemos que para una presión máxima de 210 PSIG, el tubo debe tener un espesor de 0.095 pulg equivalente a un número Bwg de 13. Para calcular la cantidad de tubos de 2” de diámetro que necesitamos en nuestro caldero de 50 BHP procederemos a realizar el detalle de la placa portatubos tomando en cuenta que:

88

Diámetro de la placa Diámetro exterior de Flue Diámetro exterior de los tubos

= 42 pulg. = 16 pulg. = 2 pulg.

Tener presente que es un caldero de 3 pasos donde se tiene que separar dos zonas para dichos tubos de 2 pulg., en la parte posterior. Para nuestro caso seleccionaremos la de línea recta y el centro del Flue se encontrará debajo del centro de la placa (pueden coincidir ambos centros dependiendo del diseño). Considerando para nuestro diseño una altura diametral de la cámara de vapor igual a 8 1/2’’ (pues 8 ½’’ entre 42’’ equivale al 20% lo cual está entre el rango considerado), además el centro del Flue se encuentra 7 pulg debajo del centro de la placa (verticalmente) tal como se indica en la figura de la distribución de tubos. Prácticamente se recomienda que la separación entre tubos debe ser de 1 pulg aproximadamente. Por tal motivo se empieza a detallar la placa portatubo indicando al Flue y la cantidad de tubos de 2” de diámetro que alcanzarían; llegando a concluir que en lado del 2do paso (lado inferior) alcanzaron 36 tubos de 2 pulg de diámetro; y en el lado del 3er paso (lado superior) alcanzaran 21 tubos de 2 pulg de diámetro, dando un total de 57 tubos de 2 pulg de diámetro. III. A cálculo de la longitud de los tubos de 2 pulg de diámetro: LT Tenemos los datos: Diámetro de las placas

:

Dp = 42 pulg.

Numero de placas

:

Np = 2

Espesor de las placas

:

ep = 1/2 pulg.

Diámetro ext. del Flue

:

Do = 16 pulg.

Número de Flue

:

Nf = 1

Espesor del Flue

:

ef = 1/2 pulg.

Diámetro ext. de los tubos

:

Dt = 2 pulg.

Numero de tubos

:

Nt = 57

Espesor de los tubos

:

et = 0.095 pulg.

Potencia de la caldera

:

Q  50 BHP

Superficie de calefacción

:

Sc = 150 pies2

Longitud entre placas

:

Lp = ?

o

Solución: Considerando que:

Sc  N t St  N f S f  N p S p

89

Calculo de la Superficie de calefacción de un tubo St:

S t   ( Dt  2et ) L p S t   (2  2  0.095) L p S t  5.668 L p pulg 2

Calculo de la superficie de calefacción del Flue Sf:

S f   ( Do  2e f ) L p S t   (16  2  0.5) L p S t  47.124 L p pulg 2

Calculo de la superficie de calefacción de la placa portatubo Sp:

D p 2

D f 2 Dt 2 Sp   Nt Nf 4 4 4  (42) 2  (2) 2  (16) 2 Sp   57  4 4 4 S p  1385.446  179.071  201.062 S p  1005.313

pulg 2

Cálculo de la longitud entre placas (Lp) (ver figura (j)) Reemplazando en la formula general:

144 pu lg 2  57(5.686) L p  47.124 L p  2(1005.313) 1 pie 2 21600  324.102 L p  47.124 L p  2010.626 Sc  250 pie 2 

19589.374  371.226 L p Por lo tanto:

Lp = 52.769 pulg.   Lp = 52 7/8 pulg.

Calculo de la longitud de los tubos (Lt): Teniendo en cuenta que el caldero a diseñar es de espalda seca:

Lt  L p  2e p  2a t , Donde:

at: Ala en los extremos de los tubos con respecto a las placas portatubos, el cual se recomienda que sea 1/8 pulg el cual permitirá realizar posteriormente el respectivo expandado y rebordeado o calafateado (como mínimo puede ser equivalente al espesor del tubo). Reemplazando:

90

Lt  52 7 / 8  2(1 / 2)  2(1 / 8) Lt  54 1/8 pulg 

Necesitaremos 57 tubos para caldera de calidad Acero al Carbono – ASTM 192 de 2 pulg. de diámetro y 0.095 pulg. de espesor con Bwg 13 con una longitud equivalente de 54 1/8 de pulgada

Table Pft-12.1 Maximum Allowable Working Pressures For Steel Or Tubes Or Flues For Fire Tube Boilers For Different Diameters And Cages Of Tubes Conforming To The Requirements Of Specifications Sa-192 Or Sa-178

54 1/8

IV. tirantes de refuerzo en placas portatubos Se usa refuerzos si la distancia entre bordes de tubos excede al máximo paso “p·” calculando según el artículo PG-46 que dice:

P

T 2 C p2

Aplicando este criterio en el presente diseño reemplazamos en la ecuación anterior teniendo como datos: Hallamos el paso.

91

T = 8, pues el espesor seleccionado del Flue es de ½ pulg. P = 200 PSIG. C = 112 condición Por lo tanto: 1/ 2

T 2 C   8 2  112      p    P   200  p  5.99 pulg  6pulg

1/ 2

En el dibujo del detalle de la distribución de tubos en placa portatubos (sección cálculo de tubos) se ve que el valor máximo de Y es de 8 ½ pulg más 2 pulg igual a 10 ½ pulg. (H). El producto 1.5p tiene como resultado 9 pulg. Como apreciamos el valor de 1.5p (9pulg.) es menor que el máximo valor de Y (10 ½ pulg.) por lo que sería necesario colocar tirantes a las placas de las calderas que se está diseñando. Teniendo como dato previo el número de tirantes a emplear de acuerdo a la disponibilidad de espacio y del paso o distancia descritas anteriormente, remitiéndose a la figura del detalle de distribución de tubos (sección cálculo de tubos y al detalle general de la Fig. g) se ve que es posible colocar tres o cuatro tirantes. Según el código ASME para determinar la carga total que soportarán los tirantes se multiplicará el área libre a atirantar por la presión de trabajo máximo admisible. Ver figura (g) y (h). El área neta a ser reforzada será:

4( H  2) 2 A 3

 Dic   H  2  0.608  

1/ 2

pulg2

Para H = 10.5 pulg; D ic = 42 pulg. Reemplazando: 4(10 1/2  2) 2 A 3

42   10 1/2  2  0.608

1/ 2

A  96.333(4.333)1/2 A  200.53 pu lg 2

De acuerdo al artículo PFT-27.1 la fuerza total absorbida por los refuerzos (Ft) resulta del producto del área A por la presión manométrica de trabajo máximo admisible que para nuestro diseño es 200 PSIG. Luego:

Ft  A  P  (200.53)(200) Ft  40106 libras

92

De acuerdo al artículo PFT.33.2 el tirante se calcula tomando como esfuerzo de diseño (St) igual a 6000 PSI. Por lo tanto: Para nt = 3

a

40106  2.228 pulg 2 (3)(6000)

a

40106  1.67 pulg 2 (4)(6000)

Para nt = 4

Según esto el área seccional final del tirante es At que según el artículo PFT-32.1 del Código se determina: At 

a.L a l , pues cos   , ver figura (f) ó At  l cos  L

Con esto, para 3 tirantes: At 

a 2.228 2.228    2.306pulg 2 0 cos  cos15 0.9659

At 

a 1.67 1.67    1.73 pulg 2 0 cos  cos15 0.9659

Para 4 tirantes:

Por lo tanto, calculando el diámetro del tirante: Dt Para 3 tirantes:

At 

Dt2  4A   Dt   t  4   

1/ 2

 4(2.306)      

1/ 2

 Dt  1.71 pu lg

Para 4 tirantes:

At 

Dt2  4A   Dt   t  4   

1/ 2

 4(1.73)      

1/ 2

 Dt  1.48 pu lg

Se escoge el refuerzo mediante cuatro tirantes de 1 1/2 pulg de diámetro y de longitudes iguales colocados igualmente espaciados entre ellos y cada uno a la misma distancia del casco. En la figura (i) se indica esta disposición.

93

V. CASCO En el acápite PG-27 del código ASME trata sobre componentes cilíndricos o bajo presión, la norma PG-27.2.3.1 plantea las siguientes ecuaciones: Para espesores “t” hasta 1/2”: t

PR 0 .8 S  E  0 .6 P

P

→

0 .8 S  E  t R  0.6t

Para espesores “t” mayores de 1/2”:

t

PR  0.1 S  E  (1  y ) P

→

P

S  E  (t  0.1) R  (1  y )(t  0.1)

Por lo tanto siguiendo con nuestro diseño y suponiendo que nuestro espesor será menor de ½ pulg aplicaremos la 1ra. Ecuación. Reemplazando obtendremos que:

t

20021 t = 0.3992 pulg 0.813300   1.00  0.6200 

Donde comprobamos que t es menor que ½ pulg. Además cuando en la zona donde funcionará la caldera, se tiene la seguridad que por sus condiciones climatológicas y operativas van a tener problemas de corrosión se recomienda incrementar este espesor mínimo hasta en 1/16 pulg. (0.0625 pulg.). Por lo tanto el espesor del casco de la caldera diseñado será de: tc = 0.3992 + 0.0625 = 0.4617 pulg. = 1/2 pulg. 

El material a utilizar para el casco será el Acero al Carbono calidad ASTM 285 ºC de 1/2” pulg de espesor y de 42 pulg. de diámetro interior.

V. A. Cálculo de la longitud circunferencial del casco: Lc Lc= π (D + tc) pulg. Lc= π (42 + 1/2) pulg Lc= 133.125 pulg. Lc= 133 1/8 pulg. V. B. Longitud Longitudinal total del casco: L

94

L = PD + 2ep + Lp + PP Por lo tanto considerando la profundidad posterior (PP) equivalente a 11 pulg. y la profundidad delantera (PD) igual a 7 pulg obtendremos. L = 7 + 2(1/2) + 91 1/2 + 11 = 112 pulg. Cálculo de la Longitud Longitudinal del Flue: LL (ver figura (j)) Según nuestro diseño el FLUE debe de sobresalir 2 pulg. en la parte delantera (FD), para poder permitir montar y desmontar las tapas delanteras sin necesidad de desmontar el quemador. Además en la parte posterior considerando que el caldero es de cámara seca el Flue debe de sobresalir de la placa portatubo posterior como mínimo el tamaño de su espesor (EP) que para nuestro caso será de ½ pulg. Por lo tanto: LL = FD + PD+ 2ep + Lp + FP LL = 2 + 7 + 2(1/2) + 52 7/8 1/2 + 1/2 LL = 63 3/8pulg 

El Flue u horno o cámara de combustión se hará de material Acero al Carbono calidad ASTM 285 ºC de ½ pulg. de espesor, de 16 pulg. de diámetro exterior y un longitud total longitudinal de 63 3/8 pulg

VI. COPLES SOLDABLES A. Para salida de vapor: De tabla Nº 5 sabiendo que la caldera es de 50 BHP y la temperatura de ingreso de agua es de 60ºF comprobamos que el factor de evaporación que relaciona la capacidad de la caldera con la presión de diseño será igual 28.6 tomando en cuenta que la presión de diseño es de 200 Psig calculamos el flujo de masa para dicha 

presión: m ( 200 ) Donde: 

m ( 200 )  f ev xPotencia del caldero 

m ( 200 )  28.6 x50  1430 lb de vapor/hora. Además de la tabla de vapor obtenemos el volumen específico del vapor saturado a 200 PSI el cual es:

95

v  2.084 pie 3 / lb De la tabla anterior seleccionamos una velocidad: 8000 pies/min Con estos datos obtendremos el diámetro del cople de la salida de vapor, mediante la siguiente ecuación sabiendo que: o

m=

VA v

Reemplazando: 

m v 1430  2.084 144 pu lg 2 1Hr A    2 V 8000 60 min 1 pie A= 0.894 pulg2 Además:

D 2 A 4

 4A   D    

1/ 2

 3.576      

1/ 2

D = 1 pulg. Por lo tanto el diámetro mínimo de la copla deberá ser aproximadamente de 1 pulg pero como nuestro caldero a diseñar trabajará posiblemente a 80 PSI haremos otro cálculo para seleccionar un diámetro de cople mayor. Para las mismas condiciones vamos a la tabla Nº5 y obtenemos el f ev  28.9 Por lo tanto: 



m (80 )  f ev xPotencia del caldero  m (80 )  28.9 x 50 

 m (80 )  1445 libras de vapor / hr Además de tabla de vapor obtenemos el volumen específico de vapor saturado a 80 PSIG el cual es: v  4.652 pie 3 / lb Y de la tabla anterior seleccionamos la velocidad: V= 6000 pies/min Reemplazando estos nuevos datos en la siguiente ecuación: 

m v 1445 x 4.652 144 pu lg 2 1Hr A    2 V 6000 60 min 1 pie A  2.6888 pulg 2 Por lo tanto reemplazando el área en la siguiente ecuación:

96

1/ 2

 4A   4 x 2.688  D          D  1.85 pulg. 

A.1

1/ 2

A nuestro caldero a diseñar se le colocará un cople de 2 pulg. de diámetro x 300 PSI de vapor soldable y roscado. Al mismo tiempo este caldero no podrá regularse a menos de 50 PSI aproximadamente pues para ello deberíamos aumentar el diámetro del cople; más bien si podría trabajar a más de 50 PSIG pues con una válvula globo a la salida de vapor fácilmente se podría regular el flujo de vapor dependiendo de la presión a la que trabajará la caldera. BAFFLE INTERNAMENTE AL COPLE DE LA SALIDA DE VAPOR

Para evitar que el vapor arrastre líquido es decir humedad, se recomienda instalar una especie de filtro de vapor denominado baffle, para el cual habría que calcular la cantidad de agujeros, de preferencias de ½ pulg que deberían tener: Sabiendo que el cople es de 2 pulg de diámetro, se tiene: Área del cople = N x Área del aguajero del baffle

D 2 (2) 2 N 2   16 Por lo tanto N  16 2 d 1   2 B.

PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN

Sabiendo que el caldero a diseñar generará 1725libras de vapor/hr a presión atmosférica, necesitamos ingresar esta misma cantidad de agua al caldero, sabiendo además que el agua ingresará a 60ºF como mínimo; vamos a tabla y obtenemos el volumen específico del agua a esta temperatura el cual es v = 0.119938 galones / libra. Por lo tanto obtendremos el mismo flujo de agua a ingresar a la caldera de la siguiente ecuación: 



V  m v 

V  1725

lb galones 1Hr  0.119938  Hr lb 60 min



V  3.45 galones / min  3.45GPM Se recomienda que el flujo a ingresar al caldero sea el doble o hasta el triple del flujo mínimo. o

Para nuestro caso consideraremos un V  8GPM , y una presión máxima de 200psig. Además de tablas se debe de considerar una velocidad entre 150 a 300 pies/min que es la recomendable para flujos de agua en general.

97

Para nuestros cálculos consideraremos 150 pies/min que es lo más crítico. Por lo tanto: o

V8

galones 231 pu lg 3 1 pie 3   min 1galon 12 pu lg 3 o

V  1.0694 pie3 / min

Además sabiendo que: o

V A V

A

1.0694 150

A  0.00713 pie 2  1.0266 pulg 2 Reemplazando  4A  D    

1/ 2

 4  1.0266      

1/ 2

 D = 1.14 pulg

Tener presente que para calderas el código ASME recomienda que el cople mínimo para la línea de agua de alimentación deba ser de 3/4 pulg 

C.

Para nuestro caso seleccionaremos un cople soldable con rosca de 1 pulg. de diámetro x 300 PSI de vapor (se recomienda además verificar la conexión de salida a descarga de la electrobomba de agua que se seleccionará para alimentar a la caldera).

COPLA PARA AGUA DE ALIMENTACIÓN

Para la instalación de un inyector seleccionaremos una copla soldable y roscada de 1 pulg de diámetro x 300 Psig para vapor. Nota: Se recomienda que a los calderos mayores de 80 BHP se les instale obligatoriamente un inyector para alimentar de agua al caldero como auxilio a la electrobomba. D. Copla para válvula de seguridad Para nuestro caso yendo a seleccionar la válvula de seguridad comprobamos que dicha válvula debe ser de 1 pulg de diámetro; por tal motivo seleccionaremos una copla soldable con rosca de 1 pulg de diámetro x 300 psig de vapor. E. Para purga de espuma Se recomienda para nuestro caldero instalar otra cople soldable con rosca de 1 pulg de diámetro x 300 psig, de la misma característica que el de la alimentación de agua,

98

el cual se tendrá que empalmar a la línea de drenaje o al tanque de purga si lo hubiera. F. Copla para purga de fondo Nuestro caldero llevará en el fondo y lado posterior un cople soldable con rosca de 1 ¼ pulg de diámetro x 300 psig de vapor. G. Para instalación de la columna de nivel (se incluye en este sistema al manómetro, al limitador de presión y control de nivel tipo electrodo) Colocaremos dos coplas soldables con rosca de 1 pulg de diámetro x 300 psig vapor para poder instalar dichos controles. H. Copla para temperatura de chimenea Para poder controlar la temperatura de salida de gases de combustión del caldero por su chimenea se recomienda colocar una copla soldable con rosca de ½ pulg de diámetro x 300 psig. I. Chimeneas Para nuestro caso se tiene una chimenea de 9 ¾’’ de diámetro recomendado por la ASME. J. Base de la caldera Por recomendaciones de la ASME para una caldera de 42’’ diámetro su base debe tener una altura de 12’’ al piso, en plancha de acero estructural ASTM 283 de ¼’’ de espesor. K. Tapas delantera y posterior. Son hechas de calidad ASTM 283 de ¼’’ de espesor, en el segundo paso debe recubrirse con refractario.

1.13. PARTES IMPORTANTES DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR.

99

1.13.5. DEFINICIÓN DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR Es aquella caldera en donde el agua –vapor circula por el interior de los tubos y los gases de escape externamente. Hay dos diseños básicos de calderas acuotubulares: a. De tubos rectos b. De tubos curvos 1.13.6. TIPOS DE CALDERAS ACUOTUBULARES. a. DE TUBOS RECTOS: Se construyen en dos variantes con tubos rectos verticales y con tubos rectos inclinados (por secciones) con aproximadamente 15º. Para el caso de tubos verticales, estos están fijados a dos cámaras, una superior o de vapor y una inferior o de fangos. En los de tubos rectos inclinados, estos están expandidos en cabezales colectores verticales forjados, que en el punto más bajo tienen un colector de fangos transversal. En la parte superior hay uno o dos domos. Para el caso de un domo éste puede estar en forma longitudinal o transversal al eje de la caldera.

100

La circulación en este tipo de caldera, se inicia con el ingreso del agua de alimentación por la parte inferior del domo o cuerpo cilíndrico, luego desciende por el interior de los colectores posteriores y sube por los tubos rectos inclinados, en ellos comienza a formarse el vapor. La mezcla de aguavapor asciende por los colectores frontales, induciendo una circulación hacia el domo, que es donde se produce la separación entre el vapor y el agua. El vapor saturado formado sale por la válvula colectora que se encuentra en la parte superior del domo. Los tubos generadores son de 3 ¼’’ ó 4’’ de diámetro exterior. Para los calderos de domo longitudinal, la presión de servicio varía de 160 a 325 psig y la capacidad de generación va de 5000 a 80000 lbs/hr de vapor. Para los calderos de domo transversal la presión de servicio varía de 160 a 1450 psig y la capacidad de generación va de 5000 lbs/hr a más. La unidad más grande construida de este tipo, tiene una capacidad de generación de 525000 lbs/hr. b. DE TUBOS CURVOS: El principal distintivo de estos calderos son el domo ó los domos interconectados con los cabezales colectores por medio de tubos curvos. Por consiguiente los haces de tubos que forman un hogar refrigerado conectado al sistema circulatorio de agua-vapor, son parte integrante de la unidad generadora de vapor. A continuación pasaremos a revisar algunos tipos clásicos de calderos acuotubulares de tubos curvos: b.1.TIPO A: Tiene un domo superior longitudinal y dos domos inferiores de menor diámetro, la circulación de gases de combustión es en dos pases, en algunos diseños tienen además tubos de paredes de agua. Se suministran también con sobrecalentador. Se fabrican para presiones de servicio de 150 psig. a 1000 psig. y capacidades de generación de 7000 lbs/Hr hasta un máximo de 250000 lbs/hr. Hay empresas que tienen una línea más pequeña de calderas de 4000 a 13000 lbs/hr con

presiones de 190 a 350 psig.

101

Figura. Caldera tipo “A” para generar vapor saturado. b.2. TIPO H STIRLING: Tiene tres domos transversales, generalmente se instala en situ, pero las unidades pequeñas se arman en Fábrica y se entregan armadas. Usualmente se construyen para vapor saturado, a pedido se suministran con sobrecalentador. Presiones de diseño :

160 a 450 psig.

Capacidades

:

10000 a 50000 lbs/hr. de vapor

Control

:

normalmente manual

Temperatura de vapor:

saturado aproximadamente 175ºF

Hogar

con refractario o con paredes tubulares refrigeradas para petróleo o carbón

Combustibles

:

gas o petróleo, carbón bituminoso, bagazo y madera.

Aplicaciones: 

En la generación de vapor para calefacción, procesos o fuentes de energía dentro de las capacidades y especificaciones indicadas.



Donde la simplicidad y baja inversión inicial son importantes.



Donde el uso de combustibles de bajo costo no justifica el uso de economizadores o precalentadores de aire. Sin embargo ambos se pueden adaptar de ser necesarios.



Donde se deseen métodos simples de instalación.

Comentarios: El tipo H es esencialmente simple y económico, es particularmente adaptable a servicios moderados y área no muy grandes. Usándolo con el hogar de refractario, se pueden mantener una buena eficiencia de combustión, incluso a bajos rangos de consumo, esto es particularmente importante para usos en calefacción. Los mamparos que se usan en este tipo de caldero son a cuadrículas alternadas, lo que crea un flujo de gases tortuoso en el primer pase, operando como distribuidor e incrementando la eficiencia de la unidad, sin una perdida apreciable de tiro. b.3.TIPO STIRLING DE DOS DOMOS: Tiene dos domos transversales de dimensiones 42” a 72” de diámetro para el superior y 24” a 54” de diámetro para el inferior. La disposición de los domos usualmente es en línea vertical. Internamente los domos tienen ciclones separadores. La unidad se ensambla en el lugar y está soportada usualmente por la parte superior. Generalmente se suministran con sobrecalentador.

102

Los tubos generadores son de 2”, 2 ½” ó 3” de diámetro y a veces son recalcados en los extremos con objeto de reducir el espesor requerido de la placa del tambor. Tubos de 2 ½”Φ recalcados a 2”Φ en los extremos y espaciados a 3 9/16” entre centros con típica disposición. El horno con paredes de agua, tiene tubos de 2”, 2 ½” ó 3” Φ espaciados igualmente, usualmente se tocan externamente .Cuando la ceniza es abrasiva y para bajas perdidas de tiro, el flujo de gas de adelante a atrás se hace en un solo pase. Para petróleo o gas, el uso de multipases es común. El ancho del horno varía con incrementos de 1 pie (0.305 m) Presiones de diseño :

160 a 1050 psig (mayores a pedido)

Capacidades

:

70000 a 1000000 lbs/hr de vapor

Control

:

manual o automática en varios grados

Temperatura de vapor: Hogar

saturada y hasta 1000ºF :a presión o a tiro, con paredes enfriadas por tubos de agua

Combustibles : carbón, con todos los tipos de combustión, horno ciclónico, pulverizado, con esparcidor; gas o petróleo, también usando calor remanente de otras fuentes. Aplicaciones:  En la generación de vapor para procesos, generación de energía eléctrica, dentro de las especificaciones indicadas anteriormente. 

Donde la ceniza sea particularmente abrasiva con esparcidores y carbón pulverizado.

 Donde las características del apunto de fusión de las cenizas requieran un horno refrigerado. 

Donde sea esencial la facilidad de poder cambiar de combustible, por modificaciones futuras.

Comentarios: El rango de producción de vapor de una caldera Stirling de dos tambores es muy amplio. Es particularmente adaptable a usar diferentes tipos de combustible. Cuando se usa un esparcidor se llega a capacidades de 250000 lbs/hr de vapor, con un solo pase de gases evitando la concentración de partículas abrasivas y por consecuencia el deterioro de los tubos. Todos los tubos son accesibles desde los dos tambores para inspección y limpieza. Los tubos de agua enfriadores de las paredes laterales, frontal y posteriores del horno se espacian de acuerdo al requerimiento del combustible, desde 6” entre centros hasta que se tocan tangencialmente. Para la combustión con carbón pulverizado usualmente se usan fondos en forma de chute. Cuando se usa el Horno Ciclónico con extracción liquida de escoria, la altura es algo menor que cuando se usa carbón pulverizado y extracción de ceniza seca.

103

Se instalarán economizador y precalentador de aire o ambos si la economía de combustible y el mayor rendimiento justifican la mayor inversión.

De la figura anterior tenemos.

104

1.

Colector superior.

2.

Cabezal anterior.

3.

Tubos vaporizadores.

4.

Tubos hervidores.

5.

Cabezal posterior.

6.

Tubos de retorno.

7.

Tubos de pared lateral del horno.

8.

Tubos de pared posterior del horno.

9.

Sobre calentador.

10. Des-sobrecalentador. 11. Calentador de aire. 12. Quemador de petróleo. 13. Colector de fango. 14. Horno. b.4. TIPO CALDERA RADIANTE: La caldera radiante es ensamblada en la instalación, de soporte superior, de un solo pase de gases, de un solo tambor o domo. Tiene usualmente solo una pequeña área de convección. El horno del tipo de tubos tangentes entre sí, está completamente enfriado por agua y operará por extracción líquida de escoria o ceniza. Tiene una gran cantidad de superficie de sobrecalentamiento, parte de la cual es del tipo colgante por su simplicidad y poco espacio requerido. Sin embargo se puede usar un sobrecalentador horizontal. El control de la temperatura del vapor se hace por medio de atemperadores. Usa economizador y precalentador de aire. Cuando requiere ciclo de calentamiento, se usará superficies de recalentamiento. Presiones de diseño :

de 675 a 1800 psig

Capacidades

:

de 400000 a 4000000 lbs/hr de vapor

Control

:

completamente automático, incluso el flujo de agua de alimentación, la combustión y la temperatura de vapor

Temperatura de vapor:

hasta 1100ºF y recalentado a 1100ºF.

Hogar

:

a presión o a tiro, todas las superficies enfriadas por tubos de agua, incluyendo los chutes de ceniza.

Combustibles

:

carbón pulverizado o en horno ciclónico; gas o petróleo como combustibles primarios o complementarios.

105

Figura. Caldera de calor radiante Aplicaciones: 

Cuando por tamaño, temperatura u otras especificaciones sea necesario.



Cuando la evaluación económica determine que es la mejor solución.



Cuando sea necesario usar un Horno Ciclónico por las características del carbón y las restricciones en la contaminación.



Cuando sea necesario prevenir as futuro un cambio (con pocas modificaciones) de petróleo o gas a carbón.

Comentarios: La caldera radiante se caracteriza por un horno muy amplio, lleva su nombre por el hecho que la absorción de calor es mayoritariamente por transmisión de energía radiante. Por su considerable rendimiento se usa no solo para mover turbogeneradores sino para plantas industriales grandes y de servicios.

106

Por su versátil diseño se puede acondicionar a las necesidades del usuario. Para obtener la temperatura requerida de gases de escape en una unidad de este tipo con fondo de chute, se puede añadir en forma económica una división intermedia de pared de agua, lo que dará un área equivalente a seis paredes verticales en el mismo espacio ocupado por cuatro. Esta solución permite una economía sustancial en los costos de construcción. A pesar que el tipo simple de sobrecalentador suspendido se acomoda al arreglo general de la caldera RB, la necesidad de gran superficie de sobrecalentamiento para llevar de 1000 a 1100ºF la temperatura de vapor nos lleva a usar parte de superficie en arreglos horizontales. b.5. TIPO DE PRESION UNIVERSAL O MONOTUBO: Esta caldera es aplicable comercialmente a todas las temperaturas y presiones tanto subcríticas. Este diseño nació en los finales del año 1920 en la SULZER BROTHERS LTD. de Winterthur, Suiza, para aplicaciones en presiones menores a 3208 psia, el programa se implementó con la instalación de una caldera de laboratorio en 19229. La primera instalación comercial se culminó en 1932. La década de 1930 marcó la aceptación del caldero monotubo en el mercado europeo para un rango de presiones de 1200 a 2400 psig, el desarrollo se hizo sobretodo en Alemania y actualmente la mayor parte de las Unidades Generadoras de Vapor grandes y de alta presión son del tipo Monotubo. En 1953 Combustion Engineering Inc. firmó un contrato de tecnología con la Sulzer Bothers Ltd. Para beneficiarse con las experiencia en las Calderas Monotubulares y sus controles. El principio de operación es que el agua de alimentación bombeada a la unidad pasa a través de toda la parte a presión de superficie calefactor, donde se transforma en vapor por la absorción de calor y sale por el extremo final en forma de vapor a la temperatura deseada. No hay recirculación de agua dentro de la unidad y por lo tanto no se necesita un tambor o domo para separar el agua del vapor. Los combustibles que se usan son petróleo, gas o carbón, este último pulverizado o molido para horno ciclónico. El horno es totalmente enfriado por agua, operando a presión o a succión (tiro). La extracción de cenizas es fluida o seca. Se usan paredes divisorias internas tubulares en las unidades grandes para reducir el uso de volumen total, estructuras metálicas y plataformas de servicio. La temperatura del vapor se controla con el régimen de combustión del combustible. Esta temperatura es controlable hasta con 30% de la carga máxima nominal, para cualquier combustible. Para controlar el flujo y la presión de vapor se actúa sobre la velocidad de las bombas de alimentación, regulando las turbinas de accionamiento. El sistema de control completo es simple y económico. 1.13.7. COMPONENTES DE LA CALDERA ACUOTUBULAR

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Una caldera consta esencialmente de las partes sometidas a presión, como colectores y cabezales, tubos y recalentadores. Además se necesita la cámara de combustión, con sus refractarios y, finalmente, la estructura, compuesta por la envuelta, apoyos conductos de humos, en los cuales se sitúa el economizador. A continuación describimos brevemente los componentes citados.  Uno, dos o más tambores o domos cilíndricos construidos de planchas roladas y soldadas en acero de calidad ASME SA 515-70 ó ASME SA-299, con tapas hemisféricas del mismo material en ambos extremos. Normalmente la plancha donde van alojados los tubos es de un espesor mayor que el resto del cuerpo cilíndrico, por ser esta zona donde se barrenan los huecos para recibir los tubos. De acuerdo a la presión de trabajo, en estos asientos o alojamientos para los tubos, se maquinan uno o dos canales que servirán para “anclar” el tubo cuando es expandido. Para presiones muy altas se suelda por fusión en taller, nicles terminales o también tramos de tubería.  Los tubos cuyos diámetros exteriores varían de 1 ¾” hasta 5”, están normalizados de acuerdo a las especificaciones ASME SA-213 TP 304H ó TP 347H tipo sin costura para sobrecalentadotes y ASME SA-106ºC ó ASME SA178ºC sin costura para tubos de agua y vapor.  Los cabezales o colectores son construidos en diversas maneras, forjados, de tubo sin costura ó de fundición centrifugada, en su manufactura se usa acero de bajo carbono, acero carbono-molibdeno ó cromo-molibdeno. Las bridas terminales son forjadas, maquinadas y soldadas, así como también los soportes o asientos. En el caso de cabezales para sobrecalentador, se pueden soldar los nicles de conexión para los tubos como se ve en la figura.  El conjunto de cámara de combustión u hogar y el sistema de combustión o quemadores de combustible. La cámara de combustión u hogar puede ser de refractario o estar refrigerada con tubos que forman paredes de agua. Los sistemas de combustión están formados por uno o más quemadores para combustibles líquidos, gaseosos o sólidos o también mixtos y los alimentadores o bombas de combustible, así como también ventiladores o sopladores para el aire de combustión, tuberías y ductos.  Sistema de agua de alimentación compuesto por un equipo de tratamiento de agua, un tanque de agua condensada o tratada, un conjunto de una o dos bombas de agua de alimentación y un sistema de regulación de agua de alimentación.  Manómetro de vapor de tipo dial con rango aproximado 80% mayor que la presión de trabajo, una columna de agua equipada con niveles de agua y machos de purga y electrodos para nivel bajo y alto, válvula de salida de vapor, válvulas de seguridad reguladas a presiones de 3% a 10% aproximadamente mayores que la presión de trabajo, válvulas para admisión de agua de

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alimentación, válvulas de purga, válvula de venteo, presostato de control de quemador y uno o más sopladores de hollín.  De acuerdo al diseño será necesario o no, un sistema de extracción de gases compuesto por un ventilador centrífugo de tiro inducido, un conjunto de ductos y una chimenea. 1.13.8. COMPONENTES EXTERNOS Y INTERNOS En las calderas acuotubulares se usan los siguientes componentes para optimizar o para cubrir especificaciones necesarias de diseño: Paredes de agua, originalmente fueron construidas para proteger los alimentadores esparcidores (stockers) al enfriar la ceniza y la temperatura del cenicero, impidiendo la clinkerización cuando se usa carbón como combustible. También colaboran a prolongar la vida del refractario, aunque actualmente su objetivo es aprovechar mejor el calor radiante en las zonas de máxima temperatura, controlando también la temperatura del hogar. Con esta solución de superficie calorífica se obtiene una economía considerable en el tamaño y el costo del generador de vapor, rendimientos del orden de 220000 BTU por pie2 por hora se obtienen cómodamente. Los diseños de paredes de agua usadas se agrupan en cinco tipos: Tipo de ladrillo y tubo. Los tubos están espaciados a intervalos regulares y amarrados a ladrillos refractarios usualmente de 2 ½” de espesor. La albañilería está lo suficientemente refrigerada por la circulación de agua en los tubos, para permitir su uso en hogares que usen gas, carbón pulverizado o petróleo, si su ubicación está en zonas cercanas a zonas de convección adyacentes en bancos de tubos del caldero, bancos de sobrecalentadotes por convección y economizadores. Este tipo de pared no se debe usar en calderos con hornos de extracción de cenizas por fusión (slag tap units). El refractario que se usa en esta solución es de primera calidad, para que resista la erosión de cenizas y los choques térmicos por temperatura diferencial; para obtener un buen aislamiento se usa externamente una capa de material aislante o ladrillos aislante que son soportados por un amalla de metal expandido, finalmente tiene un acabado de enlucido y tartajeado con malla de gallinero.

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Figura. Pared tipo ladrillo y tubo. Tipo de tubos muy cercanos o juntos, en esta solución los tubos se tocan tangencialmente, se usa para cualquier tipo de combustible. Usualmente es sellada con concreto refractario y bloques aislantes o plásticos, el acabado es con malla de gallinero y tartajeo. El concreto refractario está internamente reforzado con metal expandido. En algunos casos se usa externamente forro metálico o carcasa. Una variante más moderna de está solución es la pared tipo membrana.

Tipo pared de espárragos planos, es una solución algo más económica y similar a la anterior. Cada tubo tiene una serie de plaquitas soldadas a lo largo de toda su longitud y a ambos lados. En la parte posterior se usa concreto refractario con metal expandido, bloques aislantes, malla de gallinero y acabado tartajeado plástico o carcasa metálica.

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Pared parcial o totalmente cubierta de espárragos cilíndricos, cuando se tiene una temperatura más alta que la que puede resistir una pared con refractario y tubos espaciados, se usa esta solución. Los espacios intertubos están cubiertos con dos filas de espárragos soldados a cada lado de los tubos o también pueden los tubos estar totalmente cubiertos de espárragos en el lado interno del hogar. Los espacios libres interespárragos se rellenan con concreto refractario base cromo para formar una pared continua, la cual es refrigerada por los espárragos. El sellado posterior es el mismo de las otras soluciones. Este tipo de solución es resistente a las escorias en fusión. Pisos para hogares de fusión de escorias, el piso del hogar está diseñado para la extracción líquida de la ceniza del carbón, manteniendo un recipiente de escoria líquida que contiene algunas veces un alto porcentaje de hierro. Este problema se soluciona construyendo el fondo y piso con bloques de fierro fundido tipo Bailey asegurados con pernos a tubos de refrigeración de agua, que forman parte de la superficie calefactora de la caldera. Todos los tubos de paredes de agua, terminan en cabezales colectores que pueden ser de sección circular o cuadrada. De acuerdo a las presiones de trabajo los tubos se expanden y/o sueldan. Mamparos o baffles; una orientación apropiada del flujo de gases es esencial para: 1.

Asegurar una buena mezcla del aire con los productos de la combustión.

2.

Asegurar el contacto efectivo entre los gases de combustión y las superficies calefactoras.

111

La primera condición se debe cumplir en el hogar mismo, de manera que la combustión sea completa antes que los gases entren a los diferentes pases de la caldera. La segunda condición se cumple por medio de los mamparos o baffles que guían y dirigen el flujo de los gases para obtener un buen contacto con las superficies calefactoras. Los diseñadores tratan de mantener una velocidad constante del flujo de gases, modificando el área de pase de gases conforme se van enfriando. Dentro de lo posible se trata de evitar los cambios bruscos de sentido pues producen corrientes parásitas, pérdidas de tiro apreciables y depósitos de hollín y cenizas. Los tipos más comunes son los longitudinales, transversales y tipo filtro. Hay dos formas constructivas de mamparos: monolítica de concreto o construida con ladrillos especiales. En algunos tipos de calderas el mamparo se forma juntando tubos de agua y apuntalándolos formando una cortina.

Figura. Manparos longitudinales, transversales y de tipo filtro A. SOBRECALENTADOTES Y RECALENTADORES. El sobrecalentador nació como una necesidad del desarrollo de la turbina de vapor, habiéndose desarrollado los primeros a escala comercial entre 1895 y 1898, habiéndose llegado en 1920 hasta temperaturas de 750ºF(399ºC). La primera unidad recalentadora para una central entró en servicio en 1924, usándose para recalentar el vapor de escape de una turbina de alta presión (550 psi) a 725ºF y 135 psi. En el sobrecalentador el vapor saturado sale del domo, es llevado a una temperatura predeterminada muy por encima de la correspondiente temperatura de saturación sin variar la presión de vapor. Durante este proceso todo vestigio de humedad en el vapor desaparece.

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Los sobrecalentadotes se pueden clasificar en diversos sentidos, de acuerdo a como reciben el calor en: radiantes, por convección o combinados. De acuerdo a su ubicación con respecto a la superficie calefactora de la caldera en: sobrebancos, interbancos o entretubos. De acuerdo a la ubicación de los cabezales en: colgantes o no drenable y drenables, en este caso como los cabezales se encuentran dentro del caldero, estarán protegidos por mamparos o baffles.

Figura. Sobrecalentadares combinado de convección y radiante

Figura. Sobrecalentador por convección Para el diseño de un sobrecalentador se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: 1.

Temperatura de vapor deseada.

2.

Superficie de sobrecalentador requerido para llegar a dicha temperatura.

3.

Temperatura de los gases en la zona en que se ubicará el sobrecalentador.

4.

El tipo de acero, aleación u otros materiales que se acomoden mejor para construir las superficies y los soportes.

5.

La razón de flujo de vapor (flujo de masa) a través de los tubos, que es limitada por la caída permisible de presión, pero que en cambio, ejecuta un control determinante sobre las temperaturas del metal de los tubos.

6.

El arreglote las superficies para que estén de acuerdo a las características del combustible a usarse, particularmente en cuanto al espaciamiento 113

entre tubos, para prevenir la acumulación de hollín o cenizas y permitir la limpieza y remoción de estas formaciones en su etapa inicial. 7.

El diseño físico y el tipo de sobrecalentador como estructura.

El hecho de que los tubos del sobrecalentador circulará solo vapor seco, obliga a usar otro tipo de acero que en los tubos de agua. Estos tubos estarán de acuerdo a las normas ASME SA-210, SA-209 T1a, SA-213 T11, SA-213 T22, SA-213 T21, SA-213 TP304 y SA-213 TP321. El espaciamiento varía en función de los combustibles usados y la temperatura de gas, entre 1” y 4”. Los diámetros de los tubos prácticamente están en 2”, aunque en las calderas marinas se usan tubos de 1 ¼” y 1 ½”. Los flujos de masa de vapor varían en función de la temperatura del gas de combustión y de la temperatura del vapor deseado, los valores aceptables en la práctica son los que aparecen en la Tabla II. TABLA II Valores de flujo de masa de vapor Sobrecalentadores por convección Temperatura ºF

Flujo de masa de vapor

Gas

lb. /hr, pie2 de área de flujo

Menor 750

1200

75000

a

150000

700 – 800

1600

250000

a

350000

800 – 900

2400

400000

a

500000

900 – 1000

2400

500000

a

600000

1000-1100

2400

700000

Vapor

y

más

B. ECONOMIZADORES En un generador de vapor el economizador absorbe el calor de los gases de escape y lo incorpora como calor sensible al agua de alimentación, antes de que entre al colector. De esta manera los gases de escape son enfriados y se mejora la economía del proceso térmico, de ahí el término “economizador”. Las formas constructivas de los economizadores son variadas, los materiales que se usan son dos: el hierro fundido para calderos que operen hasta 250 psi de presión y de acero para presiones mayores. Los hay de tubos lisos multicurvos, rectos o de tubos aleteados transversal o longitudinalmente.

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El economizador consiste en una superficie calorífica tubular a través de la cual el agua de alimentación es bombeada previo a su ingreso a la caldera. Por cada 10 a 11ºF de incremento en la temperatura del agua de alimentación usando el calor recuperado de los gases de salida del caldero, la eficiencia del mismo se incrementa en aproximadamente 1%. La eficiencia total que se obtiene con el incremento de la superficie del economizador depende principalmente de la temperatura de los gases de escape del caldero y de la temperatura del agua que se alimenta el economizador, en la práctica la cantidad de superficie de economizador instalada depende de la cantidad de eficiencia que se gane versus el costo de dicha inversión. Normalmente el flujo en los economizadores es a contracorriente, pues se consigue con ello una diferencial de temperatura más uniforme en todas las partes de la unidad. La temperatura del agua de alimentación que entra al economizador es siempre menor que la temperatura de saturación en la caldera. Desde que la superficie del economizador está a una temperatura menor que la de la superficie de la caldera, el calor remanente de los gases será absorbido a un ritmo mayor y los gases serán enfriados a una temperatura menor con la superficie del economizador, que con una superficie de caldera adicional. Por consiguiente, en un generador de vapor hay usualmente hay un nivel de temperatura del gas al cual ya no es económico continuar absorbiendo calor a través de superficies a temperatura de saturación y se debe comenzar a absorber calor por medio de un economizador. El tamaño de un economizador varía de acuerdo a la temperatura de agua de alimentación. El agua de alimentación siempre debe de ser desaereada, con un desaireador o desgasificador a una temperatura igual o mayor a 212ºF para minimizar la presencia de no condensables en el sistema. Para las unidades que operan a presión alta, la temperatura de la alimentación al economizador será determinada por los puntos de extracción de la turbina y aumentará conforme aumenta la presión, con la siguiente disminución del tamaño del economizador, puesto que la cantidad de calor por absorber será menor. El tamaño de los tubos y su espaciamiento ha variado mucho y el uso de inhibidores de ácidos para la limpieza interna de los tubos, ha simplificado el diseño de los economizadores. Los tubos son contínuos desde el cabezal de entrada al de salida, contra los cuales se sueldan o se mandrilan los extremos. Los diámetros más comunes son 2” y 2 ½”, los espacios libres entre tubos van desde 1” para combustibles “limpios” hasta 1 ½” y 2” para los otros tipos de combustibles. El material que se usa es generalmente aleaciones de acero de bajo carbono, el aleteado para aumentar la superficie se hace con anillos de fierro fundido o aluminio que son zunchados al tubo original; también se usan aletas longitudinales soldadas a lo largo del tubo en la parte inferior y superior del mismo. La ubicación del economizador varía totalmente de acuerdo al diseño general del generador de vapor. Cuando no tiene precalentador de aire como la mayoría de las calderas chicas, el economizador está ubicado en los ductos de salida del gas entre la caldera y la chimenea ó el ventilador de tito inducido. Es preferible que siempre los gases se muevan en forma descendente y el agua en forma ascendente a través de los tubos. El diseño a contraflujo reduce los requerimientos de superficie de calefacción y pérdidas de tiro a un mínimo, elimina la inestabilidad en el flujo de agua, dando una mayor uniformidad a la 115

distribución del gas y hace posible el uso apropiado del “economizador vaporizante” donde se `produzca algo de vapor en el extremo de salida de agua. En muchas de las unidades de alta presión, la ubicación del economizador viene a estar dada por el layout. Los economizadores muy grandes y voluminosos requieren consideraciones especiales instalándose a contraflujo la sección de ingreso de agua y en flujo paralelo la sección de salida de agua Cuando se usan combustibles que producen cenizas con alto poder de adherencia, el economizador se ubicará encima de una tolva o chute, de manera de que cuando se laven estas cenizas caigan a este chute. Además para la limpieza externa de los tubos se debe considerar sistemas de soplado de hollín con vapor o aire a presión. Uno de los problemas clásicos en los economizadores es la corrosión tanto externa como interna. La corrosión externa se produce cuando el vapor de agua que hay en los gases de combustión se condensa en la superficie de los tubos, acelerándose el proceso cuando éste se produce en presencia de productos de combustión del azufre. El proceso corrosivo aumenta conforme la temperatura del metal disminuye. Conforme el porcentaje de azufre en el combustible aumenta, el punto de rocío aumenta y así mismo el coeficiente de corrosión. Las cenizas del carbón pulverizado han demostrado que actúan como un inhibidor retardando el proceso corrosivo. Para retardar el proceso corrosivo debemos mantener la temperatura de l agua del economizador dentro de unos límites mínimos aconsejables en la superficie metálica de acuerdo a diferentes porcentajes de azufre en el combustible. La corrosión interna se produce por la presencia del oxigeno disuelto en el agua y la baja concentración del ión oxidrilo (bajo PH). La corrosión por oxígeno se puede eliminar con la deareación del agua. El agua pura con PH = 7 acelera el proceso corrosivo, por lo tanto es conveniente elevar algo el PH del agua manteniéndolo entre 8 y 9. C. PRECALENTADORES DE AIRE La segunda forma de recuperar el calor de los gases de salida es por medio de los precalentadores de aire, mediante ellos el calor de los gases de escape de la combustión aumentan la temperatura del aire de combustión. Por cada 35 o 40ºF de caída de temperatura en los gases de escape se puede obtener una ganancia de 1% en la eficiencia de la caldera. La cantidad de aire a precalentar es función del tipo de combustible y de la forma de quemarlo. Está probado que es necesaria una temperatura alta para la combustión del carbón pulverizado sobre todo si se alimenta húmedo, estando la temperatura limitada solo por el efecto sobre el metal del esparcidor (stocker). El límite práctico para reducir la temperatura de los gases de escape es algo por encima del punto de rocío de ellos, este punto varía con el tipo de combustible. En el punto de rocío se produce la condensación, los ácidos producidos por la combinación de los productos sulfurosos incentivan la corrosión. La temperatura del metal se mantendrá encima de este punto peligroso derivando el aire o recirculando aire precalentado a la entrada de tiro forzado.

116

El uso de aire precalentado incrementa la combustión a cualquier carga, mejora la combustión a cargas bajas y aumenta la eficiencia total. En una instalación nueva, el uso de un precalentador permite frecuentemente disminuir el tamaño de la caldera. Será posible hacer algunos ahorros en el tamaño y costo del equipo de combustión, sin sacrificar la capacidad de la caldera. Los precalentadores de aire se clasifican de acuerdo a su principio de operación en: a) recuperativos y b) regenerativos. El calor al aire es suministrado por los gases de escape de la caldera o por otras fuentes. Dentro de los precalentadores que operan exitosamente por el método recuperativo, están los tubulares y los de placas, que tienen como fuente de calor a) los gases de escape, b) serpentines de vapor ó c) hornos independientes. Dentro de los que operan por el principio regenerativo está el más conocido, el rotativo “Ljungstrom”. En el diseño recuperativo, el calor es transferido directamente de los gases calientes de un lado de la superficie al aire del otro lado. En el diseño regenerativo, el calor es transferido en forma indirecta de los gases calientes al aire usando de un medio de almacenamiento intermediario. Este principio se utilizó en muchas industrias antes de ser usado en calderas.

Precalentador de aire recuperativo de placas El precalentador tubular, es el más común entre los tipos de precalentadores de aire, está compuesto por dos placas, una superior y otra inferior, en estas placas está alojados los tubos cuyos extremos están expandados, generalmente la placa inferior tiene un a junta de expansión tipo fuelle. La parte externa del precalentador está forrada con paneles de plancha delgada y aislamiento. El aire

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circula por la parte externa de los tubos haciendo uno, dos o más pases, estos pases son guiados por mamparos deflectores de plancha metálica. Para la limpieza interna de los tubos se usan sopladores de hollín con vapor, aire o en algunos casos agua (con la caldera fuera de servicio). Los diámetros de tubos más comunes son 2” y 21/2”. Los tubos pequeños son más eficientes en cuanto a superficie calorífica y el diámetro mayor es más fácil de limpiar. En las calderas marinas el diámetro más usual es 1 ½”. El precalentador de placas, se ha desarrollado en muchas versiones a través de los años. Todos usan planchas delgadas, planas y paralelas con espacios alternados anchos y angostos, para complementar con la relación de peso de gas a peso de aire. El gas pasa por los espacios anchos y el aire por los angostos, siendo el tipo de flujo a contracorriente. Con el objeto de obtener la máxima superficie para un volumen dado, el espacio para el gas se hace lo más pequeño que permita una buena limpieza. Los diseños comerciales se diferencian básicamente en la forma de sellar los espacios de aire y los de gas. Se han patentado muchos métodos constructivos pero solo el sistema con soldadura ha sobrevivido. El precalentador regenerativo rotativo, este tipo de precalentador se fabrico con eje horizontal y con eje vertical, en la actualidad el que permanece en el mercado es el “Ljungstrom”, el cual está formado por un rotor que tiene la superficie regenerativa y que gira a una velocidad de 1 a 3 RPM dependiendo del diámetro del mismo. En este precalentador el flujo de gas es de arriba hacia abajo y el de aire es a la inversa. El eje descansa en dos soportes: una chumacera inferior en el lado frío de tipo empuje y una superior de alineamiento en el lado caliente. Dependiendo del tamaño del precalentador, el rotor tiene 12 a 24 miembros radiales que van fijados al poste central. Estos compartimientos están cerrados con una cubierta periférica y placas radiales que van empernadas a los miembros radiales. El sistema de sello es del tipo de muelle de laberinto en ambos lados: frío y caliente. En la carcasa exterior están posicionados los ductos de entrada y salida de gases y aire, así como también el marco y estructura de soporte. La transmisión es por medio de un moto reductor eléctrico con un piñón y una cremallera periférica fijada al rotor. Se construyen en diámetros desde 7 pies hasta 65 pies. Las unidades chicas se entregan totalmente ensambladas en taller, mientras que las más grandes se montan en el campo. La superficie calorífica del Ljungstrom está formada por una combinación de placas planas y corrugadas, con muescas y ondulaciones, que en combinación forman los pasajes longitudinales. Este diseño permite solo puntos de contacto entre las planchas adyacentes. A pesar de que el flujo del gas y el aire son turbulentos, su pase a través del rotor es suave y ofrece baja resistencia. Como una regla aproximada una pulgada de altura de un precalentador Ljungstrom

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recupera una cantidad de calor equivalente a dos pies de superficie de precalentador tubular con una resistencia equivalente al flujo de gas i aire. Lo compacto del arreglo de las planchas ligeras permite una superficie calefactora efectiva en un rotor relativamente pequeño. Normalmente la superficie calefactora está dividida en dos o más niveles. Esto permite las siguientes ventajas: -

Poder reemplazar la parte más fría, de aproximadamente 12” de alto, que es la que sufre mayor corrosión.

-

Variar los espacios de los niveles entre las secciones para satisfacer diferentes demandas de operación.

-

El material para cada nivel puede ser diferente y de acuerdo a las necesidades de temperatura y condiciones típicas de la zona. D. BOMBAS DE RECIRCULACIÓN.

ALIMENTACIÓN,

CIRCULACIÓN

Y

Los diseños que se usan en las bombas de agua de alimentación son muy variadas, van desde la bomba de pistón simple accionada por vapor, hasta las centrifugas de multi etapa. El accionamiento de éstas puede ser por motor eléctrico o por turbina de vapor. La bomba reciprocante más conocida y usada en la alimentación de agua a calderas en nuestro medio es la Worthington simplex o duplex, produce presiones de 1254 hasta 300 psig. el accionamiento es por vapor. La construcción normalmente es de fierro fundido de grano fino, con bocinas y prensas estopa de bronce, vástagos de acero. En nuestro medio en la alimentación de agua a calderas Pirotubulares el tipo de bomba más usual, es el de impelente centrifugo tipo turbina abierta, de una o dos etapas de acuerdo a la presión de servicio. Se operan directamente acopladas a un motor eléctrico, por lo tanto su velocidad es de 1750 RPM ó 3550 RPM. Con este tipo de bomba se llega a presiones de 350 psi, variando los galonajes de 2 GPM para la más chica, hasta 150 GPM para el modelo más grande. En los diseños normales centrifugas que indistintamente se usan para calderas Pirotubulares o acuotubulares, son del tipo impelente cerrado de una etapa doble succión, dos etapas o multietapa. El número de etapas es función de la presión de servicio. Las presiones de servicio van desde 200 psig. hasta 350 psig. y las capacidades van desde 75 GPM hasta 2000 GPM, normalmente operan acopladas a motores eléctricos de 3550 RPM, pero pueden operar hasta 4000 RPM cuando están acopladas a turbinas de vapor u otros sistemas de alta velocidad. La forma constructiva más común es la siguiente:

PARTE O PIEZA

STANDARD

ESPECIAL

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Caja

fierro fundido

fierro fundido

Impelentes

bronce

13% acero al cromo

Anillos de caja

bronce

17% acero al cromo

Prensas de estopa

bronce

bronce

Eje

SAE-1035

SAE-1035

Manguitos del eje

13% acero al cromo

13% acero al cromo

Tuerca del eje

13% acero al cromo

13% acero al cromo

Espaciador inter etapa

fierro maleable

17% acero al cromo

Espaciador estopa

bronce

13% acero al cromo

prensa

simple o doble hilera

Rodamientos

Bolas lub. Aceite

Caja de rodaje

fierro fundido

Acoplamiento

flexible metálico

Empaques

de acuerdo a requerimientos

Base común

acero estructural

Las prensas estopas tienen sello de agua y enfriamiento por agua, generalmente el sellado es producido por la propia agua de la bomba. Las formas de fabricación varían según el productor, la mayor parte de los fabricantes, por ejemplo, favorecen la construcción clásica con caja partida longitudinalmente, ejemplo: WORTHINGTON PUMP CORP., INGERSOLL RAND CO., ALLIS CHALMERS CORP., PEERLESS PUMP, etc., pero hay formas constructivas totalmente diferentes con la caja cortada transversalmente en forma modular como: SIHI PUMP CO., ó KSB aktiengesellschaft. Normalmente las bombas de agua de alimentación son de velocidad constante, siendo su accionamiento operado por el sistema de arranque y parada controlado por la columna de nivel del caldero u otro sistema de regulación o control; pero, hay algunos casos en que son de velocidad variable, para lo cual usan un variador intermedio entre la bomba y el motor eléctrico o una turbina de vapor. Bombas de circulación o también de recirculación, son aquellas que por la característica de su operación forman parte integral del sistema de circulación combinada. Con el uso de las bombas en la trayectoria del flujo de circulación, se puede limitar y distribuir el total del agua en circulación, a través de las superficies caloríficas del horno para acomodarse a todas las condiciones de la operación. Las bombas de circulación, le dan al operador la posibilidad de asegurar la circulación para una amplia variedad de procedimientos pre operacionales y condiciones de máxima carga de planta.

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La mayor parte de las bombas de circulación de calderas tienen ciertas similitudes básicas. Todas son verticales, de una sola etapa, tipo centrifuga con el impelente en cantiliver y diseñadas para operar a velocidad constante sin contracción. Tiene una succión vertical con una o dos descargas horizontales. El cuerpo de la bomba y todas las válvulas están soportados del sistema de tuberías de circulación, esto permite el movimiento libre durante los procesos de arranque y parada de la unidad generadora de vapor. Poder bombear agua a altas presiones y a temperatura de saturación o cercanas a ella, requiere bombas de diseño especial pues cualquier fuga o pérdida a través de los sellos o retenes producirá una vaporización violenta (steam flash). Por esto se usan tres tipos de diseño; el tipo “perdida cero” que es movida por un motor “enfriado” en agua y lubricado por ella a la misma presión del sistema, el bobinado del estator está sumergido en agua a presión. Esta unidad es conocida como “bomba de motor sumergido sin prensa estopa”. El segundo tipo emplea un motor hermético, sellado que está alojado en un recipiente a presión común a la bomba. Es también una bomba sin prensa estopa. El tercer modelo usa una transmisión motriz convencional. El sallado del eje es hecho por una prensa estopa o un sello mecánico, más un sistema de sello por inyección de agua. E. VENTILADORES, Independientemente del tipo de combustible o método de encendido que se use, las calderas utilizarán ventiladores para producir tiro mecánico. En las calderas pirotubulares a petróleo tenemos el ventilador incorporado en el quemador, inyectando el aire de combustión, en las calderas acuotubulares conforme son más grandes y complejas y usan diferentes combustibles, tendremos ventiladores para transporte neumático, tiro forzado, aire secundario, terciario y tiro inducido para la extracción de gases. Los ventiladores para las plantas generadoras de fuerza, están entre los más grandes que se producen: llegan a 60” de columna de agua de presión y volúmenes individuales de 1.5 millones de pies cúbicos por minuto. Los ventiladores se pueden agrupar en cuatro categorías, que son: -

Tiro forzado

-

Aire primario

-

Tiro inducido

-

Recirculación de gases

Ventiladores de tiro forzado, son aquellos que suministran el aire necesario para la combustión, deben dimensionarse para que puedan manipular el aire teórico de combustión más el exceso necesario para una buena combustión, con cada tipo de combustible con el cual van operar. Adicionalmente deben proveer aire para cubrir las pérdidas del precalentador de aire y para algunos requerimientos

121

de sellos de aire. Los ventiladores de tiro forzado suministrarán el flujo total de aire, con excepción de cuando se usa un ventilador de succión primaria de aire atmosférico. Rodetes centrífugos del tipo radial perfilado o axial de paso variable son las más usuales para este servicio. Los ventiladores de tiro forzado son los más silenciosos y los que operan en las condiciones más limpias en una planta de fuerza. Están adaptados para operar a altas velocidades y generalmente usan mallas en la succión para impedir la succión de partículas con el aire que succionan. La altura sobre el nivel del mar y la temperatura afectan la densidad del aire, la cual tiene un carácter determinante en la capacidad final del ventilador de tiro forzado. Cuando se usen serpentines de vapor u otro medio de calefactor el aire o exista un sistema de recirculación de aire caliente que se use para proteger el precalentador de aire, se deben tomar en cuenta el volumen añadido y la mayor temperatura. También si la humedad excede del 2% por peso (como sucede en países tropicales) el mayor volumen resultante, incrementará proporcionalmente el tamaño final de los ventiladores. Ventiladores de aire primario, su uso está básicamente relacionado con el uso de combustibles sólidos, principalmente carbón bituminoso, antracita y lignito o también combustibles residuales como bagazo, chips de madera o palma aceitera. Suministran aire a los procesos de secado y transporte del combustible ó de los sistemas de molienda, pulverización y almacenamiento a los hornos u hogares de combustión. Se ubican antes o a continuación de los equipos de molienda de carbón, siendo su aplicación más como exaustor de aire caliente, el cual lo pasa al pulverizador. La mezcla de aire/carbón es absorbida, pasando a través del ventilador por cada pulverizador. Los ventiladores primarios para manipulación de materiales son del tipo de paletas rectas y son dimensionados de acuerdo a la máxima capacidad de flujo de aire del pulverizador, deben desarrollar una presión suficiente al máximo flujo para vencer la resistencia de los ductos de aire, registros, el pulverizador y las tuberías de transporte al hogar. Los ventiladores primarios para aire ambiente son usualmente centrífugos con los alabes perfilados, y como los de tiro forzado tiene silenciadores. En los casos de alta densidad de partículas y temperatura alta se recomienda el uso de aletas radiales o radiales modificadas. En un sistema de aire frío, al volumen de aire operado por el ventilador de tiro forzado se le deberá deducir el volumen de aire manipulado por el ventilador de aire primario. Por consiguiente, si el carbón es el único combustible a usar, el ventilador de tiro forzado será más pequeño debido a la cantidad de aire que manipulará el ventilador de aire primario. Ventilador de tiro inducido, es aquel que extrae los gases de combustión de la caldera. Crean una presión negativa lo suficiente fuerte para crear una succión ligera (usualmente entre 0.2 a 0.5 pulgadas de columna de agua). Esta condición es conocida como “combustión a succión”, presión negativa u operación a “tiro balanceado”. La capacidad de estos ventiladores debe ser suficiente para cubrir

122

además las infiltraciones y las fallas de sellado producidas en todo el sistema previo a su llegada al ventilador. Como en la actualidad los ventiladores de tiro inducido se ubican después de todos los sistemas de separación de partículas, operan con gases relativamente limpios. Por lo tanto en la más de las veces se usan paletas perfiladas, las cuales desarrollan eficiencias algo mayores de 88% y llegan a capacidades de 1500000 CFM. La paleta perfilada minimiza la turbulencia y el ruido. Las paletas y las placas centrales se recubren con blindajes para obtener una vida más larga. La resistencia estructural es grande con este diseño. Cuando sea necesaria una mayor resistencia al desgaste debido al ataque del polvo, o sea deseable una mejor solución de conjunto, se usará un diseño de paletas radiales modificadas o con curvatura hacia delante y pendiente hacia atrás. Sin sacrificar eficiencia este diseño de paleta disminuye la acumulación de polvo y el tiempo perdido para limpiar el rodete; tiene características de bajo nivel de ruido, pudiéndose por lo simple del diseño construirlos en aleaciones especiales cuando sean necesarias si el gas es limpiado en lavadores húmedos. Las velocidades a las que rotan los ventiladores de tiro inducido son relativamente bajas 600 a 1200 RPM, las chumaceras normalmente son refrigeradas por agua poseyendo además en el eje, entre la caja y la chumacera un disco dispersor de calor que algunas veces tiene paletas. Ventiladores para recircular gases, son aquellos que toman los gases en un punto entre la salida del economizador y el ingreso del precalentador y los descargan a la parte baja del horno, para controlar la temperatura del vapor. Cuando operan en generadores de vapor con combustión de carbón, se debe instalar adelante del ventilador un colector de polvo mecánico de alta eficiencia y alta pérdida de tiro. La recirculación de gases es una de las pruebas más severas para un ventilador. La combinación de altas concentraciones de polvo y rápidos cambios de temperatura, demanda que el diseño sea fuerte y confiable. Es particularmente importante la forma de fijación entre el cubo del rodete y el eje del ventilador, los ajustes convencionales no son suficientes por lo que muchas veces se decide por un cubo integral con el eje. Las formas más usadas de paletas son rectas o radiales modificadas o también ligeramente curvadas hacia delante pero con inclinación hacia atrás, similares a los de los ventiladores de tiro inducido. Si fuera necesario que los ventiladores de recirculación de gases trabajen en forma intermitente en función de la carga de la caldera o del régimen de combustión, se debe suministrar un sistema de engranajes para rotar el eje del ventilador durante los períodos de parada, con el objeto de evitar la distorsión del rotor el eje del ventilador durante los períodos de parada, con el objeto de evitar la distorsión del rotor durante los períodos de enfriamiento. A continuación vamos a hacer una exposición de las características, leyes y especificaciones generales de los ventiladores. Los ventiladores son máquinas de desplazamiento volumétrico, que mueven cantidades de aire o gas de un sitio a otro. Para ejecutar esta operación deben vencer la resistencia al flujo, entregando la energía suficiente para mantener al fluido en

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movimiento. Físicamente se componen de un rotor con álabes o paletas y una caja que contiene el aire o gas y dirige su flujo. Los ventiladores pueden ser de dos tipos básicos: centrífugos y axiales. El ventilador centrifugo; es aquel en el cual, el gas o aire es acelerado radialmente y hacia fuera, por el movimiento rotativo de un impelente o rodete cuyas paletas envían este fluido a una caja que lo envuelve y que tiene formas de espiral o voluta. Hay tres tipos básicos de paletas: curvadas hacia delante, rectas radiales y curvadas hacía atrás (perfiladas o planas). Los diagramas vectoriales de velocidad nos indican que para la misma velocidad periférica Vb del borde de fuga de la paleta, la máxima velocidad del aire Va se obtiene con el tipo de paleta de curvada hacia delante y la mínima velocidad con la paleta curvada hacia atrás. La radial está entre ambos extremos. La paleta curvada atrás puede por lo tanto tener velocidad más alta de rotación. El tipo de paleta a usar depende por lo tanto de varios factores: límite de velocidad, nivel de ruido permisible, eficiencia necesaria a las condiciones de carga específica y perfomance deseada del ventilador en el rango de operación. También se tomarán en cuenta tolerancia de la paleta a la corrosión y erosión. En la tabla III que aparece a continuación vemos el comportamiento de las paletas con respecto a la erosión y eficiencia. TABLA III Comportamiento del tipo de resistencia a la erosión y la eficiencia

paleta

con

respecto

TIPO DE PALETA

MAXIMA EFICIENCIA ESTATICA %

TOLERANCIA A EROSION TIPICA

Recta

70

Alta

Curvado delante

hacia 80

a

la

LA

Media a Alta

Curvado hacia atrás

85

Media

Perfilada

90

Baja

Los diseños más comunes son aquellos que tienen acoplado un motor de una sola velocidad, variándose el flujo por medio de registros con compuertas controladas. Con el aumento del costo de combustibles y el mejoramiento en la eficiencia de los equipos, se han desarrollado nuevos arreglos en los ventiladores con motores de dos velocidades, accionamiento por turbinas y acoplamientos fluídos para incrementar la eficiencia a cargas bajas. Los variadores de velocidad y los motores de rotor 124

bobinado de velocidad variable permiten obtener velocidades de ventilador continuas desde muy lentas hasta la máxima, obteniendo siempre la mayor eficiencia. Las cajas y el espiral se construyen con planchas soldadas, teniendo secciones empernadas tanto en la succión como en la descarga, con tapas para el montaje del rotor. El rotor está construido íntegramente soldado, con cubo o cubos empernados, el eje se fija con chavetas. El rotor una vez terminado se debe balancear estática y dinámicamente en planta antes de montarlo en la caja. Ventiladores Axiales, son aquellos en los cuales el fluido en movimiento es acelerado en forma paralela al eje del ventilador, con una caja tubular exterior de sección variable. Con el incremento del costo de los combustibles y como los ventiladores axiales mantienen mejor eficiencia a diferentes cargas de la caldera, en algunas soluciones el mayor costo inicial de un ventilador axial es amortizado por el menor costo operacional en la vida de la planta. Esta situación debe ser evaluada para cada caso en que se ejecute un nuevo proyecto. La solución más común de ventilador axial, es aquella en que el accionamiento es por un motor de velocidad constante, variándose el paso de las paletas en el cubo para variar el flujo; no se necesitan compuertas ni registros móviles para controlar el flujo. Esto permite entregar para cada situación la configuración aerodinámica más eficiente. La variación del paso de las paletas se hace por medios mecánicos o hidráulicos, mientras el ventilador se mueve a su velocidad de diseño. El tipo mecánico en algunas aplicaciones no es suficiente cuando el ventilador es muy grande. El mejor uso de un ventilador axial de paso variable es en aire primario, tiro forzado o tiro inducido de grandes Calderas Industriales. No son apropiadas para pequeños volúmenes o para recircular gases. La válvula de control consta de un manguito rotativo acoplado directamente al cilindro hidráulico y a un carrete no rotativo enlazado a una unidad externa de control. Con el desplazamiento del carrete se produce un flujo de aceite a presión que acompaña al movimiento del cilindro; el aceite es realimentado directamente a la válvula de control, con lo cual, se consigue una ubicación precisa del paso de las paletas. Las leyes de los ventiladores para las variaciones de los parámetros operativos son las siguientes: 1.- Para un tamaño dado de ventilador, resistencia del sistema y densidad de aire: a.

Cuando varía la velocidad - La capacidad varía directamente con la velocidad. - La presión varía con el cuadrado de la velocidad. - La potencia consumida varía con el cubo de la velocidad.

125

b.

Cuando varía la presión. - La capacidad y la velocidad varían con la raíz cuadrada de la presión. - Los caballos de fuerza consumidos varían con la potencia 3/2 de la presión.

2.- Para una presión constante: Cuando varía la densidad, la velocidad, capacidad y potencia consumida varían inversamente proporcionales a la raíz cuadrada de la densidad, esto es, inversamente a la raíz cuadrada de la presión barométrica y directamente a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. 3.- Para capacidad y velocidad constantes: Cuando la densidad del aire varía, la potencia consumida y la presión varían en forma directamente proporcional a ella; esto es, directamente a la presión barométrica e inversamente a la temperatura absoluta. 4.- Para un flujo de masa constante: a.

Cuando la densidad del aire varía: - La capacidad, velocidad y presión varían inversamente a la densidad; esto es, inversamente a la presión barométrica y directamente a la temperatura absoluta. - La potencia consumida varía inversamente al cuadrado de la densidad; esto es, inversamente al cuadrado de la presión barométrica y directamente al cuadrado de la temperatura absoluta.

b.

Cuando varían ambas, presión y temperatura: - La capacidad y la velocidad varían con la raíz cuadrada del producto de presión por temperatura absoluta. - La potencia consumida varía con la raíz cuadrada del producto del cubo de la presión por la temperatura absoluta.

F. CHIMENEAS Las primeras calderas operaban con tiro natural, siendo este producido por las chimeneas, las calderas pequeñas modernas también utilizan tiro natural algunas veces. Sin embargo, para las calderas actuales medianas y grandes equipadas con Sobrecalentadores, economizadores y precalentadores de aire, los cuales producen necesariamente una pérdida de tiro apreciable, no es práctico ni económico usar solo chimenea para obtener el tiro inducido suficiente. En estos casos la chimenea sirve solo para dirigir y llevar los gases que mueve un ventilador de tiro accionado mecánicamente.

126

El valor del tiro generado por una chimenea, es función de la diferencia de altura entre el emparrillado del hogar de la caldera y la boca de salida de la chimenea, la diferencia media de la temperatura de los gases quemados contenidos en la chimenea y la del aire exterior, la presión barométrica que varía de acuerdo a la altura sobre el nivel del mar. TABLA IV Presión barométrica. Efecto de la altura Altura sobre el nivel del mar Pies

Metros

Presión en: Pulg.de Hg.

Mm. de Hg.

0

0

29.92

759.97

1000

305

28.86

733.04

2000

610

27.82

706.63

3000

915

26.81

680.97

4000

1220

25.84

656.34

5000

1525

24.89

632.20

6000

1830

23.98

609.09

7000

2135

23.09

586.48

8000

2440

22.22

564.39

9000

2745

21.38

534.05

10000

3050

20.58

522.73

11000

3355

19.75

501.66

12000

3660

18.93

480.82

El efecto de la chimenea para diferentes temperaturas de gases y de aire exterior se muestra en la siguiente Tabla V

TABLA V Efecto de la chimenea o diferencia de presión, pulg de agua, por cada pie de altura, a nivel del mar (Presión Barométrica: 29.92” de Hg.)

127

Temp. Promedio de gas en ºF

Temperatura del aire exterior a la chimenea

Grados ºF

40

60

80

100

250

0.0045

0.0039

0.0034

0.0029

500

0.0073

0.0067

0.0061

0.0056

1000

0.0101

0.0095

0.0089

0.0084

1500

0.0114

0.0108

0.0102

0.0097

2000

0.0122

0.0116

0.0110

0.0105

2500

0.0127

0.0121

0.0115

0.0110

El tiro producido por una chimenea al nivel del mar se calcula a partir de la fórmula: Tiro  0.192 * h * ( Pa  Pg ) pulgadas de agua

Donde: h=

Altura de la chimenea desde el ingreso de gases en pies

Pa =

Peso especifico de aire exterior en lb/pie3

Pg =

Peso especifico del gas en la chimenea en lb/pie3

Los tipos de chimeneas son muy variables, dependiendo de si son para tiro natural o con ventilador. En algunos casos por condiciones de polución, la altura deberá ser suficiente para que se produzca la dispersión y dilución de los gases. En otros casos por las condiciones de viento imperante en la zona, pueden obligar al uso de cables tensores y a una base robusta. G. SOPLADORES DE HOLLÍN Una de las labores más importantes para la buena operación de una caldera es la de mantener suficientemente limpias las superficies caloríficas al lado de los gases de combustión; no sólo desde el punto de vista de la transmisión de calor sino también para prevenir taponeos u obstrucciones que reduzcan las áreas de paso al flujo de gases. Esta última al producir una mayor velocidad de gases puede generar erosión en los tubos. El uso de los sopladores de hollín es necesario cuando se usan combustibles sólidos (carbón, bagazo, madera) o petróleo; con el gas natural, por su limpieza, no es necesario su uso. En las calderas acuotubulares, en cada una de las partes que a continuación se indican, se efectuara el soplado:

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* Paredes de agua, en las calderas que usan petróleo, por tener este combustible un bajo contenido de ceniza se depositará sobre los tubos una fina película de hollín, soluble en el agua, que será removida con el lavado anual durante la parada. En las calderas que usan carbón, el soplador de hollín será del tipo retractable, corto de una tobera rotativa. Su penetración en el horno es de unas dos pulgadas. Se soporta en una caja que está soldada a los tubos de la pared de agua. La tobera descarga vapor sobrecalentado o aire a una velocidad supersónica, en forma tangente a los tubos, rotando en una arco de 360º y limpiando en un radio de acción aproximado de cinco pies; este radio depende de cuan tenaz sea la adherencia de la escoria a la superficie del tubo. Con carbones que produzcan escorias tencas, se reduce la distancia entre sopladores para obtener radios de acción de 3 a 4 pies. La frecuencia de soplado usualmente varía entre períodos de 4 a 8 horas dependiendo de la velocidad de formación de la escoria. * Superficies de calefacción por convección, en las calderas que usan petróleo, en las superficies de banco de tubos, sobrecalentador, recalentador y economizador, se forman depósitos de ceniza que se adhiere a la superficie del tubo. Esto es particularmente mas frecuente en petróleos con vanadio a los cuales se le añaden aditivos para combatir la corrosión a alta temperatura. En las calderas que usan carbón el depósito superficial de ceniza se produce; por lo tanto para ambos combustibles y en estas zonas se usan sopladores de hollín. Para estas zonas se usan dos tipos de sopladores de hollín: a. Soplador rotativo no retractable, cuando la temperatura de gases no es mayor de 1800ºF. Este consta de un tubo de acero AISI 1015-18 o TIMKEN 1722 con toberas de aleación Cr y Ni espaciadas de acuerdo a la distribución de los tubos en la caldera. El tubo descansa sobre unos soportes soldados a los tubos de la caldera. El sistema de rotación puede ser accionado manualmente o por medio de motor eléctrico o neumático, en el caso de ser motorizado el conjunto es operado por un controlador de secuencia automático.

Figura. Soplador rotativo no retractable

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b. Soplador rotativo retractable, se usa cuando las temperaturas de gases son altas, mayores de 1800ºF. Consta de un tubo rotativo desplazable con dos toberas a 180º, que pueden estar a 90º con la superficie o 15º con la vertical, aunque, también llegan a 45º de acuerdo a las necesidades de limpieza. Generalmente toda la cabeza terminal es de una pieza y de aleación 25% Cr y 12% Ni. Durante su desplazamiento, va rotando simultáneamente por lo cual describe una hélice de soplado. Las velocidades de avance varían entre 4.5 pies/min. a 13 pies/min. y las de rotación entre 8 RPM a 25 RPM. La longitud mayor de servicio es de aproximadamente 29 pies (8.85m), para mayores anchos de caldera se usan dos sopladores uno por lado, con lo cual se alcanza hasta un máximo de 90pies (27.45 m). El accionamiento tanto para el desplazamiento como para la rotación es por medio de un motoreductor eléctrico. * Precalentadores de aire, para estos equipos se fabrican muchos tipos que están agrupados en tres modelos básicos: a.

El tipo estático que son unos tubos fijos con toberas dirigidas hacia la superficie a limpiar, este tipo se usa básicamente en los precalentadores regenerativos, como el Ljungstrom.

b.

El motorizado oscilante que se suministra con una o dos toberas, que se aplica así mismo en la limpieza de los precalentadores regenerativos.

c.

El retractable no rotativo que se usa en los precalentadores tubulares y que se instala bajo la placa de salida de los gases, soplando a contraflujo en cada tubo. Generalmente es un carro desplazable.

El medio soplante generalmente es vapor seco o aire comprimido. La utilización de uno u otro depende principalmente de la economía del proyecto. Para el caso del aire es necesaria la instalación de un compresor grande y un sistema de tuberías que rodea a la caldera. El vapor es suministrado normalmente de la caldera a través de una reductora, de tal manera que después de reducida la presión, el vapor esta totalmente seco al llegar a las toberas de los sopladores. La ventaja del vapor es que siempre está disponible, mientras la caldera está en operación. Con el aire, si hay una falla en el compresor no se dispondrá de fluido limpiador. Existe un soplador que se usó al inicio del primer cuarto del presente siglo, la lanza, es un tubo que tiene una o dos toberas en la punta, una longitud aproximada de 6 a 8 pies con una válvula y una manguera, se introducía por unos registros especiales que tenía el caldero y se abría la válvula, se manipulaba manualmente. Es posible que aún se use en algunas partes. H. COLECTORES Y CABEZALES

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El colector de vapor recibe el agua de alimentación y sirve como un depósito donde se acumula el vapor saturado generado en los tubos. Los tubos van mandrilados al colector por debajo del nivel normal del agua. La mezcla del vapor y agua que sale de los tubos pasa a través de unos separadores que eliminan la humedad del vapor. La figura muestra la forma en que se construye el colector de vapor.

Figura (a) Se curvan las planchas en forma semicircular y se unen por soldadura. La plancha inferior tiene mayor espesor a fin de compensar la perdida de resistencia mecánica ocasionada por los taladros para alojamiento de los tubos. Los colectores de agua y los cabezales se construyen de la misma forma. Son de menor diámetro que el de vapor. La misión que tienen es distribuir el agua en los tubos generadores y servir de depósito para los fangos y residuos sólidos, que pueden ser extraídos mediante extracciones de fondo. Tanto el colector de vapor como los de agua y cabezales tienen puertas de registro, que, en el caso de los colectores son de hombre, porque permite la entrada de un hombre para trabajos de limpieza, reparación y mantenimiento; y en los cabezales, dado su menor diámetro, son de mano y con la misma finalidad. La figura anterior muestra estos registros. El material ene que se construyen estos componentes depende de la presión y temperatura de trabajo. Por encima de los 20 Kg/cm2 se utiliza acero de alta resistencia. 1.13.9. ACCESORIOS Y COMPONENTES Generalidades Se entiende por accesorios de calderas aquellos dispositivos necesarios para el correcto funcionamiento y control de las mismas, y que van unidos a ellas.

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Algunos de los accesorios van situados en el interior de los colectores de agua y de vapor, en tanto que otros van exteriores, aunque de hecho pueden ir o no sometidos a la presión de la caldera. A. Accesorios Internos en los colectores de vapor. Van instalados en el interior de los espacios de agua y de vapor. Son los siguientes: - Tubo interno de alimentación - Tubo de toma de vapor - Separadores y secadores - Tubo de extracción de superficie - Tubos de tratamiento y toma de muestras - Desrecalentadores I. Tubo interno de alimentación El agua de alimentación entra al colector superior a través de una válvula de retención y corre, en el interior del mismo, a lo largo de un tubo horizontal, que alcanza el 80% de la longitud del colector. Este tubo está cerrado en su extremo y va situado muy por debajo del nivel normal. Tiene una serie de orificios en su parte alta, a través de los cuales sale el agua, consiguiéndose así una distribución uniforme. (Figura a). En algunos casos los tubos pueden ser dos, que se unen dentro del colector y con una salida común al exterior. En otros casos, no se unen y tienen dos salidas.

Figura (b).

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II. Tubo de toma de vapor Tiene mayor diámetro que el anterior y va suspendido cerca de la parte alta del colector de vapor. Tiene ambos extremos cerrados y una serie de orificios en su parte alta, tal como se ve en la figura (b) El vapor entra por los orificios, para lo cual se ve obligado a efectuar un cambio brusco de dirección, a causa del cual parte de la humedad arrastrada se separa. El vapor abandona el colector por una conexión en su parte alta y se dirige al recalentador. El tubo tiene también algunos orificios en la parte baja, que tienen por objeto purgar el agua separada, que cae al colector. En algunas calderas se sustituye el tubo de toma de vapor por una caja prismática, que cumple las mismas funciones y que se denomina “caja seca” III.

Separadores y Secadores

El vapor que sale del colector superior debe ser lo más seco posible dado que la humedad ocasiona corrosiones y erosiones. Además, aún cuando finalmente se seque en el recalentador, puesto que parte del calor suministrado debe emplearse en producir el secado, el grado de recalentamiento será menor. Por otra parte, la humedad puede arrastrar partículas sólidas en suspensión, las cuales se depositan en el recalentador, dificultando la transmisión de calor. Para conseguir un vapor con el mayor título posible se utilizan los separadores y los secadores.

Figura. Separador horizontal de vapor. Los secadores utilizan la fuerza centrífuga para cumplir su función. Cada caldera puede llevar un número bastante elevado (18 en algunos casos).

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Los separadores de tipo ciclón van unidos a unas planchas que se extienden sobre la salida de los tubos generadores, y que tienen la misión de conducir la mezcla de agua y vapor que sale de dichos tubos hacia los ciclones. Las planchas tienen una curvatura similar a la del colector, pasan justo por debajo del tubo de alimentación y están a tres pulgadas aproximadamente respecto al colector. Finalmente el vapor sale hacia arriba a través de la rejilla ondulada, cambiando así de dirección continuamente a fin de lograr una mejor separación del agua que pueda arrastrar. El agua cae guiada por unas aletas curvadas, situadas en la parte baja, alrededor de un disco plano, el cual impide que el vapor salga hacia abajo. Los ciclones situados en ambos extremos del colector llevan una pantalla desviadora destinada a evitar que el agua cae de ellos fluya directamente a los tubos de caída, ya que, al estar más caliente que el resto, podría influir en la circulación normal. Corresponde a los separadores horizontales. La mezcla gira en el interior, saliendo el vapor por las aberturas laterales, mientras que el agua se purga por los orificios de la primera pantalla, situada en el centro y que dispone de un borde muy afilado para evitar turbulencias. El agua que pueda escapar de la primera, es recogida por la segunda pantalla. El vapor descargado se conduce directamente a los secadores “chevron” situados cerca de la parte alta del colector, donde experimenta algunos cambios de dirección, saliendo luego a la caja seca, de donde parte hacia el exterior. IV.

Tubo de extracción de superficie

Corre a lo largo del colector superior y a poca distancia por debajo del nivel normal de la caldera. Se utiliza para extraer del agua las grasas, espumas y sólidos ligeros que flotan en la superficie. Contribuye a reducir la salinidad del agua mientras la caldera se encuentra en funcionamiento, sin tener que interrumpir su operación normal. En un tubo de poco diámetro, con varios orificios practicados a lo largo de la línea central de su parte alta. Cuando se abre la válvula de extracción de superficie, que va situada exteriormente a la caldera, la presión obliga al agua a salir hacia el mar, llevando consigo una parte de las impurezas que flotan en la superficie. V. Tubos de tratamiento y toma de muestras Las calderas pueden tener medios específicos para la introducción del tratamiento químico, así como para obtener muestras de agua a fin de proceder a su análisis. El tubo de tratamiento, si existe, corre a los largo del colector y tiene una serie de orificios en toda su longitud. La bomba de alimentación auxiliar puede descargar a través de él la mezcla de agua y tratamiento, que se distribuye así en el agua de la caldera.

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En el colector superior, y también sumergido en el interior de la cámara de agua puede existir un tubo de pequeño diámetro pero el cual se toman muestras de agua para su análisis, a fin de determinar el estado en que se encuentra y proceder a las correcciones oportunas. VI.

Desrecalentadores

La necesidad de disponer de vapor saturado estriba en el hecho de que algunos aparatos auxiliares son alternativos y necesitan un cierto grado de humedad en el vapor, para que actúe como un medio de lubricación del cilindro. Además, los intercambiadores de calor utilizan el calor latente de condensación, de modo que el hacerlos funcionar con vapor recalentado no resulta económico. Puede obtenerse el vapor saturado directamente del colector superior a través de una válvula de comunicación. Sin embargo, en ocasiones se prefiere hacer pasar todo el vapor producido a través del recalentador, a fin de protegerlo de posibles daños por exceso de temperatura, en especial en servicio de puerto, cuando el consumo de vapor disminuye sensiblemente al estar las máquinas paradas. Entonces es preciso disponer de un medio para rebajar la temperatura del vapor dejándolo con un grado de recalentamiento muy pequeño.

Nomenclatura correspondiente a la figura.

1. Colector superior de agua y vapor. 2. Haces de tubos generadores.

8. Paredes de tubos divisorias del horno.

3. Colectores inferiores de agua.

9. Tubo interno de toma de vapor.

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4. Horno divido.

10. Separadores de humedad.

5. Boca de fuego. 6. Sobre calentador.

11. Cabezal de la pared del tubo del horno.

7. Economizadores.

12. Envuelta. 13. Doble envuelta

El componente que efectúa este trabajo es el desrecalentador. Consiste en una serie de tubos, en mayor o menor número, instalados dentro del colector de agua, o bien dentro de la cámara de agua en el colector de vapor. De este modo el vapor recalentado, a su paso por los tubos cede calor al agua que los rodea, perdiendo temperatura. VII. Accesorios Externos Van situados en el exterior de las calderas, aunque puedan ir o no sometidos a la presión de funcionamiento de las mismas. Son accesorios externos: -Quemadores - Válvulas de seguridad - Sopladores de hollín - Indicadores de nivel -Reguladores automáticos de alimentación - Reguladores automáticos de combustión - Válvulas de extracción - Aparatos de medida -Alarma de temperatura de vapor recalentado - Indicador de flujo del recalentador - Purgas y atmosféricos - Válvulas de alimentación - Válvulas de comunicación - Conexiones para toma de muestras - Indicador de humos

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Figura. Válvula principal de vapor 1.13.10.

OTROS TIPOS DE CALDERAS.

I. Calderas Electricas Hay dos tipos de calderas eléctricas disponibles. Primero, unidades de baja capacidad y tensión, consistentes básicamente en resistencias eléctricas. En el tipo de resistencias, la corriente eléctrica genera calor al pasar a través de una resistencia o elementos de resistencias. Estos tipos de unidades no dependen de la conductividad o resistencia del agua para generar calor Además en calderas de electrodos, la corriente fluye a través del agua, como se ve en la figura Las calderas de alta tensión de electrodos separados, como se ve en las figuras (b) y (c), controlan la producción regulando la cantidad de agua pulverizada sobre los electrodos que están suspendidos e inmersos en el espacio de vapor. El camino de la corriente se crea a medida que el agua fluye a través de los pasos de un compartimiento de almacenaje hacia los electrodos. El agua que no se convierte en vapor escurre por los electrodos y cae a un contraelectrodo. Esto crea un segundo camino de la corriente para la producción de vapor: desde los electrodos al contra electrodo. El agua restantes retorna al depósito. Las calderas de electrodos son compactas y vienen completamente equipadas con controles y dispositivos de seguridad. La mayoría de las calderas tienes controladores para mantener la conductividad dentro de los límites del fabricante, monitorizando el

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agua y añadiendo productos químicos a medida que se necesitan, así como purgando la caldera cuando es necesario. La capacidad de una válvula de seguridad viene determinada por la potencia. La capacidad mínima de la válvula de seguridad debe ser, al menos, de 1.59kg/(hr/kW). Esto cierto siempre que se trate de una caldera de alta o baja presión. En base a 0.255kcal/hr, el requisito es de 882kcal/hr por cada kilovatio de entrada de energía.

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II. Calderas De Agua De Alta Temperatura Un sistema de agua caliente de alta temperatura (HTHW), mostrado en la figura (DIBUJO), es una caldera térmica que utiliza agua a elevada temperatura, normalmente a más de 300ºF (149ºC) y sin un límite especifico de presión. Según ASME define una HTHW como la que usa agua a una temperatura por encima de 250ºF y una presiona por encima de 160 psi. Los HTHW no están diseñados para una temperatura que sobrepasen los 260ºC. Las temperaturas de trabajo dentro del rango de 117ºC a 232ºC son las que se encuentran más frecuentemente. Por encima de 260ºC se utilizan otros fluidos térmicos para obtener temperaturas elevadas, como el Downtherm y fluidos inorgánicos similares.

A estas temperaturas, el agua en su estado líquido puede existir solo a presiones por encima de las correspondientes de saturación. Los sistemas de alta temperatura tiene un amplio campo utilización para suministrar las necesidades de calefacción. Ventajas de los sistemas de agua a alta temperatura (HTHW) Para muchas aplicaciones, los sistemas de agua a alta temperatura tienen distintas ventajas sobre los sistemas de vapor. Las principales ventajas son: 1. A causa de su gran capacidad de almacenaje térmico, un sistema HTHW permite un control muy estrecho de la temperatura, los cual es muy importantes en muchas aplicaciones de procesos. 2. La gran cantidad de calor del sistema constituye una reserva térmica de modo que las variaciones de carga tienen un mínimo efecto sobre la caldera, permitiendo el uso de una caldera de menor capacidad unitaria. 3. La ausencia de corrosión en línea de retorno en un sistema HTHW, es que otro problema frecuente en un sistema de vapor, es otra ventaja. 4. No se necesitan purgadores, bombas de condensado, depósitos, venteos ni otros equipos de retorno de condensado, originado así un coste primario menor, menor mantenimiento y ausencia de perdidas de vapor.

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5. Se necesita una pequeña cantidad de agua de reposición, así que no hay necesidad de un sistema caro de tratamiento de agua. Desventajas de los sistemas de agua a alta temperatura (HTHW) Hay varias desventajas; una de las más importantes es el gran volumen de agua del sistema. Esto produce los siguientes inconvenientes: 1. El sistema toma mas tiempo para calentarse en el arranque. 2. Se necesita mas tiempo para enfriase cuando se ha de hacer una reparación o alteración y hay descargar mucho agua. 3. Si se rompe una tubería o recipiente a presión, el contenido de agua, al estar por encima del punto de ebullición atmosférico, se convertirá parcialmente en vapor en forma instantánea con un poderoso efecto difusor. Incluso fuga relativamente pequeña puede causar un daño considerable por el agua antes de que el sistema pueda ser despresurizado. Ambos tipos de calderas, de tubos de humos y tubos de agua, se usan para estos sistemas. La principal ventaja de las calderas pirotubulares para esta aplicación es que es normalmente son mas baratas en los tamaños por debajo de 600HP. Por encima este tamaño, se utilizan las de tubos de agua. Sorprendentemente, la caldera de cajas o cabezales se utiliza principalmente para las menores capacidades; sin embargo, la unidad de circulación forzada (tipo LaMont) se usa mucho. Presurización y control de caudal Hay tres consideraciones en el diseño de un sistema HTHW, que no son fundamentales en el diseño de un sistema HTHW, que no son fundamentales en el diseño de sistemas de vapor; son: 1. Como mantener la presión de agua en circulación por encima de la presión de saturación para la temperatura requerida de agua. 2. Como proceder para absorber la expansión del sistema de calefacción y generador de agua. 3. Como asegurar tasa de caudal uniforme bajo todas las condiciones de operación. Hay tres métodos de presurización utilizados-colchón de vapor, gas y mecánico, y dos métodos de acomodar la expansión del agua- en un acumulador separado o en el calderón superior de la caldera para unidades del tipo calderín que sirven a los sistemas pequeños de calefacción. Transferencia de calor a alta temperatura mediante fluidos orgánicos líquidos y vapores Los fluidos térmicos como el aceite, silicatos, glicoles y líquidos similares con elevados puntos de ebullición se utilizan allí donde se demanda temperaturas elevadas por necesidades del proceso pero a bajas presiones de trabajo. Estas necesidades incluyen secado de yeso, algodón, pintura y otros productos fabricados. Los sistemas de líquidos térmicos también son utilizados junto con sistemas de vapor. Las plantas que requieren vapor a alta presión para aplicaciones específicas y que puedan aplicar líquidos térmicos para otros usos también pueden instalar un intercambiador térmico liquido-vapor y usar parte de su producción para generar vapor. 141

Esto elimina la instilación de una caldera separada calentada por gas o aceite de petróleo (gas-oil, fuel-oil, etc.). Cuando una sustancia orgánica esta en estado liquido, la unidad calefactora se denomina de calefactor, y si esta vaporizada se llama vaporizador. Los sistemas utilizados pueden clasificarse como sigue: 1. Los sistemas de vapor son normalmente del tipo pirotubular usando retorno por gravedad o de condensado bombeado. Figura (a) 2. Los sistemas líquidos usan calderas de tubos de agua, bien con circulación natural o forzada, como se muestra en la figura (b)

Figura (a)

Figura (b)

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Un caso, el fluido Dowtherm es uno de los fluidos orgánicos más conocidos, y una revisión de algunas de sus características es como una revisión de los otros fluidos orgánicos. Se notara que a una temperatura de 343ºC se produce una presión de Dowtherm alrededor de 3.7kg/cm2. Para alcanzar esta temperatura con vapor saturado se necesita una presión de 154kg/cm2. Los costos comparativos de fabricación de calderas para estas presiones son obvios. El Dowtherm es una materia orgánica, que hierve a 260ºC y esta recomendado para temperaturas de hasta 400ºC. esta compuesto de 26.5% de difenilo y un 73.5% de oxido de difinlo.

III. Sistemas De Calor Perdido, Ciclo Combinado Y Cogeneracion Calderas de calores perdidos. Hay numerosos procesos de fabricación que desprenden cantidades considerables de gases a temperaturas elevadas. Los más prominentes entre estos son los gases de escape de turbinas como la se usan en plantas generadoras de ciclo combinado. El valor de la recuperación térmica depende de tres consideraciones: 1. El coste de producir una cantidad equivalente de calor por otros medios 2. El coste del equipo de recuperación 3. El coste de operación y de mantenimiento del equipo de recuperación de calor. Dependiendo de las propiedades de los gases perdidos y de la presión/capacidad necesitada, se usan las siguientes calderas de recuperación: 1. Calderas pirotubulares, de ambos tipos, horizontales y verticales, si los gases están relativamente limpios. 2. Calderas de tubos de agua rectos, para gases perdidos limpios o modernamente cargados de polvo. 3. Calderas de tubos de agua curvados (Strirling), para cargas muy polvorientas 4. Calderas de circulación positiva, para gases limpios de baja temperatura. 5. Calderas presurizadas o supercargadas, para gases de escape de turbina. Consideraciones que se debe tener en cuenta al momento de diseñar una caldera de calor perdido, para evitar los posible fallos o roturas, estos son los siguientes. 1. Roturas de tubos por acumulación de lodos y oxido, erosión de los tubos por las partículas de gases y corrosión del material del tubo por el ataque químico del lado de los gases. 2. Masa de gases con contenido térmico elevado, produciendo el equivalente de un daño por sobrecalentamiento. 3. Cegado de los pasos de gases por el lado de fuego, dando lugar a un sobrecalentamiento. 4. Mal funcionamiento de controles o equipos, produciendo unas condiciones de bajo nivel de agua, con daños en tubos y otros.

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Las plantas de ciclo combinado y cogeneración están a veces agrupadas conjuntamente, pero necesitan definición. En una planta de ciclo combinado, un primer motor, tal como una turbina de gas, acciona un generador eléctrico y los gases de escape de la turbina son dirigidos a una caldera de recuperación de calor, llamada generador de vapor por calor de recuperaron o HRSH, que genera vapor, y este vapor se dirige al segundo motor, una turbina de vapor que también acciona o arrastra un generador eléctrico. Este sistema combina así el ciclo Brayton (turbina a gas) con el ciclo Ranking sobre la turbina a vapor. Cogeneración es la generación simultánea de energía eléctrica con un subproducto que es el calor de proceso, o vapor par utilización en el proceso. Las calderas del tipo de tubos de agua se usan en las plantas de ciclo combinado, como se muestra en la figura (a). Dependen de grandes superficies de transferencia térmica por convección, ya que no hay un hogar que suministre calor radiante.

Las calderas de recuperación de gases perdidos (HRSG) normalmente emplean un quemador de conducto para elevar la temperatura del escape de la turbina de gases, y así aumentar la producción de vapor, como se precisa durante los periodos punta de demanda de carga. Se utilizan los tubos de acero verticales y esto promueve la circulación natural a medida que se forma las burbujas de vapor y después suben hasta el calderón de vapor. También se utilizan tubos aleteados para suministrar unas superficies de transferencia térmica mayores en las calderas de superación (HRSG). Otro tema es el ciclo Cheng. Este ciclo inyecta vapor en la turbina de gas depuse de que el vapor esta sobrecalentado para incrementar el rendimiento eléctrico. Calderas de combustible residuales. Deben tomarse en consideración las características del combustible cuando se utiliza muchos combustibles residuales tales como madera, serrín, virutas, papel, muebles y residuos de industrias similares que utilicen la madera como materia prima. El diseño del hogar debe ser amplio de forma que estos combustibles residuales ardan eficientemente en el, sin emitir humo ofensivos por la chimenea. 144

El hogar, antes que el generador vapor, se ve afectado cuando se utiliza estos combustibles especiales. Los productos tales como el bajazo, que tiene 50% de humedad, requiere un hogar holandés.

En el refino d la caña de azúcar, el jugo obtenido de la caña de azúcar se procesa y se convierte en azúcar. El remante fibroso, tenaz y voluminoso de caña machacado, se denomina también bajazo. Esta también húmedo, dependiendo donde haya crecido y de la eficiencia del extractor de jugo, el bajazo contiene entre un 30% a un 50 % de fibra leñosa del 40% al 60% de agua. El poder calorífico es 4490 a 4850 Kcal./kg. de peso seco, con un rendimiento de cerca de 2500kcal/kg. con 45% de contenido de humedad. Modificaciones a realizar en los tubos de acero al carbono normal. Prácticamente todos los fabricantes de calderas están corrigiendo el desgaste normal del tubo recubriendo con una capa de acero inoxidable los tubos de acero al carbón después que el espesor alcance el mínimo requerido. Algunos fabricantes utilizan tubos de acero inoxidable revestido en diseño original, y esto es ciertamente una buena practica de ingeniería para enfrentarse a condiciones ambientales en las calderas tubulares que queman residuos (figura) para estas platas con tubos de acero al carbono, los operadores deberían inmediatamente determinar lo siguiente: 1. ¿Existe un programa de comprobación de espesor de los tubos en marcha? 2. ¿Se han hecho planes para recubrir los tubos con acero inoxidables cuando se alcance el mínimo espesor exigido por la normativa? Deberían incluirse el tamaño de los tubos y el espesor mínimo en esta evolución del desgaste y corrección del mismo. 3. Si los tubos fueron revestidos en origen, una inspección periódica de revestimiento debería establecerse para asegurarse de que todavía esta en su lugar el material resiste a la corrosión.

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Calderas de licor negro.

El licor negro es un subproducto del proceso de la pulpa de madera en la industria papelera (figura). Las astillas de madera se calientan mediante vapor en una solución de sulfito sódico e hidróxido sódico en un gran deposito conocido como “digestor”. El licor concentrado en el digestor fluye a un tanque de almacenamiento donde se une al licor diluido de las lavadoras de pulpa. Para que este licor pueda sostener una combustión, se concentra después por evaporación y se le añade la torta de sales machacadas hasta que contenga más del 58% en sólidos.

Figura. El ciclo “Kraft” de recuperación en papeleras recupera productos quimicos utilizados para romper las fibras en los digestores quemando el licor negro en una caldera de recuperaciones. 

Calderas de recuperación de licor rojo. (MgO)

El licor rojo con una concentración de cerca de 50% de sólidos, se quema con quemadores de atomización por vapor (figura). El licor rojo se quema en suspensión y forma poca escoria o nada en el hogar. Las cenizas dióxido de magnesio se eliminan de la solera del hogar, así como los de los gases de combustión. También se recupera el dióxido de azufre (SO2) de los gases o humos, haciéndoles pasar a través de torres de absorción donde un slurry o caldo de oxido de magnesio absorbe el dióxido de azufre. El resultado es un acido de cocción que se vuelve a utilizar en los digestores.

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Corrosión del lado hogar (fuego). La corrosión y la erosión son un problema continuo en las calderas de recuperación del licor negro. La industria papelera ha establecido un programa de pruebas del espesor de los tubos a causa del riesgo inherente de que la ruptura de un tubo permita entrar agua en el hogar y así exponer la unidad a una reacción química productos findidos-agua y a una posible explosión del hogar. Los tubos extruidos de composite están siendo utilizados en las nuevas calderas (figura). Finalmente, cuando es inminente el mínimo espesor de pared, los tubos viejos se recubren con una capa de material metalizante del tipo del acero inoxidable. Se requieren todavía inspecciones periódicas para determinar las condiciones del revestimiento o del placado metálico. 

Calderas del lecho fluidizado.

Las calderas de lecho fluidizados están siendo desarrolladas para sacar partido de los grandes depósitos de carbón que existen, así como para sobreponerse al problema de contaminación que puede existir al quemar carbón. Los meritos de usar la combustión en lecho fluidizado son los siguientes: 1. Pueden quemarse combustible con alto contenido de azufre sin tener que echar mano del tratamiento de los gases de combustible. Esto se cumple al inyectar caliza en lecho, la cual absorbe el dióxido de azufre. 2. Se obtiene mayores rendimientos de combustión. 3. son posibles menores temperaturas de combustión, que minimiza la formación de oxido de nitrógeno y escoria en el hogar. 4. Los productos de desecho formados a menores temperaturas de lechos son más fáciles de manejar y llevar al vertedero.

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Los lechos atmosféricos queman en el hogar a presión atmosférica. Estos se clasifican además como sigue (figura), que muestra los tres tipos. 1. Lecho burbujeante: (figura) en este lecho, la profundidad durante la operación es aproximadamente de 1.2 m a 1.5 m y se reduce a 0.3 m sin una elevada velocidad de aire.

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2. Lecho profundo: (figura) trabaja de la misma manera que el lecho burbujeante, pero con mayores profundidades de combustible, arena y caliza. 3. Lecho circulante fluidizado: (figura) en esta configuración el lecho es mas profundo que en las otras dos, con la fluidización extendiéndose desde la parte inferior del hogar o cámara de combustión hasta la parte superior del mismo.

Problemas de desgate de tubos. Las calderas de aplicaciones especiales plantean problemas de desgaste y rotura de muchos de sus componentes; sin embargo, continuamente se desarrolla nuevos materiales como tubo de materiales resistentes a la erosión, para reducir el desgaste y erosión anormales. Los metales que se están usando hoy en día para resistir la erosión y corrosión varían según las aplicaciones: 1. Para tubos metalizados por proyección, se usan el aluminuro de níquel y el titanuro de níquel, aplicadas por compañías especializadas. 2. Para revestimiento por plasma se emplea las aleaciones de níquel-titanio y de cromo-níquel. 3. Para endurecimiento superficial, las aleaciones que contiene alrededor del 18% de cromo son las más usadas de hoy en día.

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