INTRODUCCION
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., asta que !apin creó una pequeña caldera llamada "marmita". #e usó vapor para intentar mover la primera m$quina omónima, la cual no %uncionaba durante muco tiempo &a que utilizaba vapor 'medo (de ba)a temperatura* & al calentarse +sta de)aba de producir traba)o 'til. Luego de otras eperiencias, -ames att completó una m$quina de vapor de %uncionamiento continuo, que usó en su propia %$brica, %$brica, &a que era un industrial ingl+s mu& conocido. La m$quina elemental de vapor %ue inventada por /ionisio !apin en 0123 & desarrollada desarrollada posteriormente por -ames att en 0112. /entro de los di%erentes tipos de calderas se an construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasa)eros. 4emos una caldera multi5umotubular con az de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. 6l umo, es decir los gases de combustión cliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
MARCO TEORICO Defnición de caldera La caldera es una m$quina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. 6ste vapor se genera a trav+s de una trans%erencia de calor a presión constante, en la cual el 7uido, originalmente en estado líquido, se calienta & cambia de estado. 8$sicamente son recipientes met$licos, com'nmente de acero, de %orma cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cu&o interior puede circular los gases de combustión o el agua de alimentación dependiendo del tipo. Como se di)o en el p$rra%o anterior podemos dividir las calderas en dos grandes grupos, la primera donde el agua de alimentación 7u&e por los tubos del interior que se denominan acuotubulares, & el segundo grupo en el cual en el interior de los tubos se encuentran 7u&endo los gases de combustión que se denominan pirotubulares. 6n el presente traba)o nos en%ocaremos en el segundo grupo, las denominadas calderas pirotubulares.
Calderas Pirotubulares 6n los primeros diseños, la caldera era simplemente un casco con una línea de alimentación & una salida de vapor montado sobre una ca)a o marco de ladrillos. 6l combustible era quemado sobre una parrilla deba)o del casco & el calor liberado era aplicado directamente a su parte in%erior antes de que los gases salieran por la cimenea. Los diseñadores de calderas mu& pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ine9ciente, que era necesario poner una ma&or porción de esa agua en contacto con el calor. :na manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustión dentro del recipiente o casco de la caldera. 6ste diseño dio origen a las calderas pirotubulares.
Las calderas pirotubulares se denominan asi porque acen pasar los gases producto de la combustión a trav+s de los tubos en el interior de la caldera, estos a su vez trans9eren calor al agua de la caldera que les rodea. 6l combustible es normalmente quemado deba)o del casco & los gases son orientados a entrar en los tubos que se allan en el interior del tambor de agua, aciendo su recorrido en tres o m$s pasos. 6l vapor sale por la parte superior del tambor & la entrada de agua est$ generalmente ;" por encima de la uer a de tubos m$s alta. /ebido a su gran volumen de agua, el tiempo que necesita para alcanzar su presión de traba)o , partiendo de un arranque en %río, es considerablemente ma&or que el requerido por una caldera acuotubular. Las altas presiones son una de las ma&ores limitantes de estas calderas &a que la %uerza que se e)erce a lo largo del casco es dos veces la %uerza que se e)erce alrededor de la circun%erencia del mismo. /e lo anterior se deduce que para altas presiones & ma&ores capacidades se necesitarían paredes etremadamente gruesas, lo que las ace antieconómicas. :na presión de ;<= psi & una producción asta de ;<.=== Ibs>ora son considerados los topes pr$cticos para este tipo de calderas. #in embargo, en 6uropa se constru&en unidades de asta ?=.=== Ibs>ora de producción. 6sto las ace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequeña & no se requiera su aplicación en turbinas. !or problemas de resistencia de materiales, su tamaño es limitado. #us dimensiones alcanzan a < m de di$metro & 0= m de largo. #e constru&en para @lu)os m$imos de ;=.=== Ag> de vapor & sus presiones de traba)o no superan los 0B Ag>cm ;. !roducen vapor saturado, siendo este el caso se les instala un estanque de epansión que permite absorber las dilataciones de agua. 6n el caso de vapor poseen un nivel de agua a 0= o ;= cm. sobre los tubos superiores. Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos /e retorno orizontal & de orno interno o tipo escoc+s. De Retorno Horizontal #on calderas de un ba)o costo inicial & de simple construcción, mu& usadas en sistemas de calentamiento de edi9cios & producción de vapor para pequeñas %actorías.
Consisten de un casco cilíndrico con gruesas pares de terminales entre las cu ales se encuentra soportado un gran n'mero de tubos de ?"o D"de di$metro, aunque se pueden tener di$metros menores, esto da ma&or super9cie de trans%erencia & por ende ma&or generación de vapor.
La caldera est$ suspendida sobre unos muros de ladrillo en un orno. La parrilla o quemadores est$n localizados directamente deba)o de la parte de en%rente del casco o tambor. De Horno Interno: Llamada tambi+n tipo escoc+s, la combustión tiene lugar en un orno cilíndrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera. Los tubos de umo est$n a lo largo del casco & envuelven al orno por los lados & su parte superior.
Los gases que salen del orno cambian de dirección en una c$mara en el etremo & regresan, recorriendo completamente la unidad, asta una ca)a de umos localizada en el %rente. 6ste tipo de caldera %ue mu & utilizado en los barcos.
Características /entro de sus características se puede acer +n%asis en las siguientes • • • • •
#encillez de construcción. @acilidad de inspección, reparación & limpieza. Gran peso. Lenta puesta en marca. Gran peligro en caso de eplosión o ruptura debido al gran volumen de agua almacenada.
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#e usan principalmente para sistemas de cale%acción para la producción de vapor requerido en los procesos industriales o como calderas port$tiles. #e usa generalmente en donde la demanda de vapor es relativamente reducida, comparada con la demanda de las grandes centrales termoel+ctricas. Eo se utiliza para el accionamiento de turbinas, porque no es convenientemente adaptable a la instalación de s'per calentadores. 6l costo de una caldera pirotubular instalada, es relativamente ba)o & considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular. #e basa principalmente en el ogar & en los pasos de los gases a trav+s de los tubos. #e an desarrollado mucos dispositivos, los tubos an sido colocados orizontalmente, inclinados & en posición vertical, con uno o m$s retornos. Fecibe la denominación de caldera de tubos continuos o de tubos de retorno, de acuerdo con la dirección del 7u)o de los gases. !uede tener un ogar interno, o estar dotada de %ogón eterno.
Esquema (partes principales) La ma&or parte de las calderas tanto de aplicación industrial que son usadas actualmente son del tipo orizontal. Las características de este tipo de calderas son bastante parecidas, a continuación se detallan sus partes principales
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6l Cuerpo o Casco
6l cuerpo de la caldera est$ compuesto b$sicamente por un cilindro de planca de acero en el cual se encuentra %ormando parte integral el ogar & los tubos de %uego. La línea del nivel de agua se 9)a generalmente en un punto localizado a no menos de < cm. rriba del borde de la ilera superior de los tubos de %uego, o de la
placa de la corona. 6l espacio comprendido arriba del nivel de agua es llamado c$mara de vapor. 6l Hogar •
6l ogar constitu&e la parte de la caldera donde se realiza la combustión de la mezcla aire, suministrado por un ventilador, & el combustible pulverizado a trav+s de un quemador. 6l ogar en las calderas pirotubulares va localizado seg'n el tipo de %abricante, este puede ser centralizado en unos casos & un poco desplazado acia la base o parte in%erior de la caldera en otros. dem$s lleva ladrillos re%ractarios los cuales van pegados entre sí con cemento re%ractario, este material re%ractario constitu&e un recubrimiento interior del ogar, para evitar que estas altas temperaturas alcancen & destru&an la cubierta o carcaza de la caldera. •
La C$mara de Combustión
6n las calderas pirotubulares se considera que la caldera %orma una sola parte con el ogar, sin embargo eisten ciertas di%erencias en el diseño de la c$mara posterior del ogar que se deben considerar. 6s así que se denominan "calderas de c$mara 'meda" a aquellas que tienen su parte posterior en%riada por la misma agua de la caldera.
!or otra parte, se denominan "calderas de c$mara seca" a aquellas que tienen su parte trasera o posterior en contacto con los gases provenientes de la combustión realizada en el ogar.
#e puede destacar que los tubos de las calderas con %ondo seco son todos de la misma longitud, no así los tubos de la caldera con %ondo 'medo que son de dos longitudes di%erentes. !or otra parte cabe notar que la tapa de registro de la caldera de %ondo seco ubicada en la parte trasera es de ma&or dimensión que la caldera de %ondo 'medo, lo cual %acilita su acceso para inspección o limpieza. •
ubos de @uego
Los tubos de %uego son construidos de acero de ba)o porcenta)e de carbono. La %orma como se encuentren estos distribuidos de9nir$ el n'mero de pasos o retornos de gases circulando por el interior de los mismos. odos los tubos se encuentran soportados & unidos en sus etremos a placas o espe)os, en los cuales van epandidos, biselados & pestañeados o soldados seg'n sea el tipo & marca de la caldera. Los tubos de %uego son regularmente de <0 mm a 0=; mm (;"a D"* de di$metro, & su selección depende de la perdida de tiro & del tipo de combustible a usar. @recuentemente se aumenta el di$metro en ;< mm por cada 0.;; m de aumento en la longitud de los tubos. 6sta relación es variable. Las calderas port$tiles con cimeneas cortas, requieren di$metros grandes en los tubos las que van dotadas de ventiladores de tiro, pueden llevar tubos de menor di$metro. Cabe indicar que en las calderas de tres pasos, se obtiene la m$ima trans%erencia de calor en el segundo & tercer paso ósea en los tubos de %uego, &a
que los mismos representan la super9cie de calentamiento principal de esta m$quina t+rmica. 6n las calderas de cuatro pasos, el D=J del calor es trans%erido en el ogar & el 2=J es trans%erido en los otros tres pasos de los gases a trav+s de los tubos. •
!uertas o apas de Fegistro
Las puertas de acceso a los tubos se encuentran localizadas %rente a los mismos las puertas para la limpieza se encuentran en las ca)as de umo & otras partes convenientes. 6stas puertas son necesarias para remover el ollín & para el cambio de tubos. !ara el acceso se cuenta con registros de ombre, (Kanole* & para la limpieza, des%ogue de sedimentos & lodos, así como para la inspección de las partes en contacto con el agua, se dispone de registros de mano (Handole* & ori9cios con tapones roscados. Los gri%os de drena)e colocados en las partes in%eriores, se conocen como gri%os de purga. 6l vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la caldera por una o varias boquillas o coneiones roscada. •
Cimenea
La cimenea es el ducto que conduce por medio de un tiro los gases producto de la combustión acia a%uera de la caldera. 6l tiro natural se crea por la di%erencia de presiones originada por la altura de la cimenea & la ma&or temperatura de los gases de combustión con respecto al medio ambiente, dando como resultado una corriente de aire desde el ogar acia el eterior de la caldera. 6n cambio el tiro %orzado signi9ca introducir aire a presión al ogar, utilizando ventiladores. 6l tiro inducido por su parte signi9ca succionar los gases de combustión a trav+s de ventiladores instalados en la cimenea, para sacarlos acia el eterior.
Funcionamiento
6l vapor se genera calentando un importante volumen de agua, por medio de los gases de combustión producidos durante la combustión del gas o del %uel & circulando en los tubos sumergidos en el agua. 6sta es la t+cnica m$s cl$sica para la producción de vapor saturado, para una gama de caudales de 02= a <=.=== g> (00; M ?D.=== *. La circulación de gases se realiza desde una c$mara %rontal dotada de brida de adaptación, asta la zona posterior donde termina su recorrido en otra c$mara de salida de umos. 6l acceso, se realiza mediante puertas atornilladas & abisagradas en la c$mara %rontal & posterior de entrada & salida de gases, equipadas con bridas de coneión. 6n cuanto al acceso, la entrada de agua se e%ect'a a trav+s de la boca de ombre, para %acilitar la limpieza de posible acumulación de lodos. 6l con)unto completo, calorí%ugado & con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante & bancada de sólida & 9rme construcción suministr$ndose como unidad compacta & dispuesta a entrar en %uncionamiento tras realizar las coneiones a instalación.
Combustibles Los combustibles m$s com'nmente usados son N Combustibles sólidos Carbón de piedra Carboncillo Leña
8asuras o desperdicio domestico N Combustibles líquidos !etróleos Aeros+n lquitr$n combustible N Combustibles gaseosos Gas licuado (de petróleo* Gas de alumbrado (de carbón*
Ag ua de Al im en ta ci ón 6l agua obtenida de ríos, pozos & lagos es denominada agua bruta & no debe utilizarse directamente en una caldera. 6l agua para calderas debe ser tratada químicamente mediante procesos de des carbonatación o ablandamiento, o desmineralización total, adicionalmente, seg'n la presión mane)ada por la caldera, es necesario controlar los sólidos suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material org$nico, gases disueltos (CO; & O;*, de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la caldera su%rir$ problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por material en %orma de partículas, etc. Ob)etivos del acondicionamiento del agua N 6vitar la acumulación de incrustación & depósitos en la caldera. N 6liminar los gases disueltos en el agua. N !roteger la caldera contra la corrosión. N 6liminar el acarreo & retardo (vapor*. N Kantener la e9ciencia m$s alta posible de la caldera. N /isminuir la cantidad de tiempo de paralización de la caldera para limpieza.
Ventajas y Desentajas Ventajas
N Kenor costo de %abricación, debido a su simplicidad de diseño. N #e constru&en en tamaños relativamente pequeños para su mane)o e instalación N #on port$tiles N @$cil mantenimiento
N lmacenan gran volumen de agua N #oportan 7uctuaciones en la demanda de vapor N Kenores eigencias de pureza en el agua de alimentación. N #on pequeñas & e9cientes. Desventajas
N !resentan limitaciones para altas presiones N !roducción de vapor relativamente reducida N 6spacio limitado para la instalación de equipos auiliares como s'per calentadores. N Ka&or tiempo para subir presión & entrar en %uncionamiento
Ap li ca ci on es !n du str ia le s Kadera N #ecaderos de capa N !rensas N #ecaderos de tablón N @osos de vaporización N Líneas de barnizado N Cabinas de pintura /etergentes N #ecaderos de atomización N utoclaves N Cubas, etc. !apel & cartón N #ecaderos N 6ngomadores N !ara9nadoras calandras Corco N Calderas de cocción N cabado de super9cies N #ecadero granulado N Curado de aglomerado N !rensas
Kuebles N !aneles barnizados N #ecaderos N ratamiento de super9cies N mbientación, etc. etil N 6stampadoras N 8años de tintes 8etunes & as%altos N Cartón bituminoso N Calentamiento de redes N Calentamiento de masas N 6mulsiones, etc. Cauco N Cilindros N !rensa de vulcanizar N Hornos de cocción N utoclaves, etc. Puímica N utoclaves N Columnas de destilación N Feactores N #ecaderos, etc. Curtido N !roducción de agua caliente N #ecaderos de vacío N !igmentado N !roducción de vapor, etc. Conservera N utoclaves N gua caliente
N paratos de cocción N !roducción de vapor, etc. limenticia N Cocinas industriales N @reidoras industriales N Intercambiadores, etc. Hostelera N Lavadoras & secadoras N Cale%acción N gua caliente sanitaria Ketalurgia N /esengrase N Galvanizado N ratamiento de super9cies N #ecado (t'neles*, etc. !l$sticos N !rensas idr$ulicas N Impresoras N ermino9)ación, etc.
"iesgos al #perar •
umento s'bito de la presión
6sto sucede generalmente cuando se disminu&e el consumo de vapor, o cuando se descuida el operador & a& eceso de combustible en el ogar o c$mara de combustión. •
/escenso r$pido de la presión
#e debe al descuido del operador en la alimentación del %uego. •
/escenso ecesivo del nivel de agua
6s la %alla m$s grave que se puede presentar. #i este nivel no a descendido m$s all$ del límite permitido & visible , bastar$ con alimentar r$pidamente, pero si el
nivel a ba)ado demasiado & no es visible, en el tubo de nivel, deber$ considerarse seca la caldera & proceder a quitar el %uego, cerrar el consumo de vapor & de)arla en%riar lentamente. ntes de encenderla nuevamente, se deber$ inspeccionarla en %orma completa & detenida. •
6plosiones
Las eplosiones de las calderas son desastres de gravedad etrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto n'mero de personas. La caldera se rasga, se ace pedazos, para dar salida a una masa de agua & vapor los %ragmentos de la caldera son arro)ados a grandes distancias. 6l estudio de las causas de las eplosiones Ha permitido determinar que estas se deben a o o
o o o o
Construcción de%ectuosa. @alla de los accesorios de seguridad, v$lvula de seguridad que no abr$n oportunamente o no son capaces de evacuar todo vapor que la caldera produce. Eegligencia, descuido o ignorancia del operador. Kezcla eplosiva en los conductos de umo. @alta de agua en las calderas (la m$s %recuente*. Incrustaciones masivas.
