nual práctico del
ERA DOR oE CA LDER DU STR I A LES M.8 Rosario Patiño Molina
manualpráctico del operador de calderas industriales
manualpráctic o deloperador de calderas industriales Manuel Sanz del Amo M.ª Rosario Patiño Malina
Ediciones Paraninfo
Paraninfo Manual práctico del operador de calderas industriales © Manuel Sanz del Amo y M.ª Rosario Patiño Molina
Gerente Editorial Marra José López Raso Equipo Técnico Editorial Alicia Cerviño González Paola Paz Otero Editora de Adquisiciones Carmen Lara Carmena Producción Nacho Cabal
Reservados los derechos para todos los países de lengua española. De conformidad con lo dispuesto en el artículo 270 del Código Penal vigente, podrán ser casti gados con penas de multa y privación de libertad quienes reprodujeren o plagiaren, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica fijada en cualquier tipo de soporte sin la precep tiva autorización. Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la cubierta, puede ser reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea este electrónico, químico,
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cualquier otro, sin la previa autorización escrita por parte de la Editorial.
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Impreso en España / Printed in Spain Cimapress
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PRÓLOG O ..................................................................................................
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1 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 6 6 7 11 11 11 12 12 13 13 17 17 19 21 23
CO N C EPTOS BÁSICOS .................................................................... 1.1. Unidades de medida ................................................................................ 1.1.1. Tipos de magnitudes de medida ................................................. 1.1.2. Unidades de longitud, superficie y volumen ............................... 1.2. Unidades de masa, densidad y volumen específico ............................... 1.2.1. Masa ............................................................................................ 1.2.2. Densidad ..................................................................................... 1.2.3. Volumen específico ..................................................................... 1.3. Unidades de velocidad y aceleración ..................................................... 1.4. Unidades de fuerza ................................................................................. 1.5. Unidades de presión ............................................................................... 1.6. Presión atmosférica ................................................................................ 1.6.1. Experimento de Torricelli ............................................................. 1.7. Temperatura, medida y unidades ........................................................... 1.8. Caudal, unidades ..................................................................................... 1.9. Energía, unidades ................................................................................... 1.10. Potencia, unidades .................................................................................. 1.11. Calor,entalpía, calor específico, unidades ............................................. 1.11.1. Entalpía y calor .......................................................................... 1.11.2. Calor específico ......................................................................... 1.12. Cambios de estado: vaporización y condensación ................................. 1.13. Transmisión de calor: radiación, convección y conducción .................... 1.13.1. Transmisión de calor por conducción ........................................ 1.13.2. Transmisión de calor por convección ........................................ 1.13.3. Transmisión de calor por radiación ........................................... 1.14. Vapor de agua: saturado, sobrecalentado, recalentado y expansionado. ....
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Tndice
1.15. Volumen específico del vapor de agua ................................................... 1.16. Calor específico ....................................................................................... 1.17. Relación entre la presión y la temperatura de vapor ............................ 1.18. Tablas de transformaciones de unidades y tablas de vapor de agua ....................................................................................................
2. G E N ERALIDAD ES SOBR E LAS CALD ERAS ................................ .. 2.1. Definiciones ............................................................................................. 2.2. Conceptos exigibles ................................................................................ 2.2.1. Obligaciones de los usuarios ....................................................... 2.2.2. Obligaciones de las empresas instaladoras y reparadoras ....... 2.2.3. Condiciones exigibles al fabricante ............................................. 2.2.4. Condiciones exigibles a la caldera .............................................. 2.2.5. Condiciones exigibles a los operadores ...................................... 2.3. Elementos que incorporan las calderas ................................................. 2.4. Requisitos de seguridad ......................................................................... 2.5. Tipos y partes principales de una caldera .............................................. 2.6. Superficies de calefacción: superficie de radiación y de convección .... 2.7. Transmisión de calor en calderas ........................................................... 2.8. Tipos de calderas según su disposición ................................................. 2.9. Tipos de calderas según su circulación .................................................. 2.10. Tipos de calderas según sus características principales ...................... 2.11. Obtención del carné de operadores industriales de calderas ...............
3.
CO M BUSTIÓ N .................................................................................. . 3.1. Combustión: definiciones, gases formados ........................................... 3.2. Analizadores de gases de combustión ................................................... 3.2.1. Medición del C02 , 02 y opacidad .................................................. 3.2.2. Medición del CO ........................................................................... 3.3. Tiro natural y tiro forzado ....................................................................... 3.3.1. Tiro natural ................................................................................... 3.3.2. Tiro forzado ..................................................................................
3.4. Tipos de hogar es ....... .............. .............. .............. .............. .............. ........
manual práctico del operador de calderas industriales 3.4.1. Hogares en sobrepresión ............................................................ 3.4.2. Hogares en depresión ................................................................. 3.4.3. Hogares equilibrados .................................................................. 3.5. Quemadores: ideas generales ................................................................ 3.6. Control de la combustión: tipos de control ............................................ 3.6.1. Rendimiento de la combustión .................................................... 3.6.2. Quemadores y su control .............................................................
VI
25 26 27 28 35 38 38 38 41 41 42 42 43 44 48 51 51 53 53 53 55 59 60 62 62 64 65 65 65 66 66 66 66 66 67 67 71
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3.7. Chimeneas..............................................................................................................72 3.8. Tablas de parámetros de la combustión completa del gas natural................73 4.
DISPOSICIONES GENERALES CONSTRUCTIVAS EN CALDERAS PIROTUBULARES .................................................. 79 4.1. Definición y principio de funcionamiento....................................................... 80 4.2. Partes de una caldera pirotubular................................................................. 81
S.
DISPOSICIONES GENERALES CONSTRUCTIVAS EN CALDERAS ACUOTUBULARES ................................................. 87 5.1. Calderas acuotubulares................................................................................. 88 5.1.1. Principio de funcionamiento............................................................... 88 5.1.2. Parámetros de funcionamiento y características generales de trabajo............................................................................................88 5.1.3.Partes de una caldera acuotubular.................................................... 89 5.2. Calderas verticales. Tubos Field. Tubos pantalla parallamas.......................98 5.3. Calderas de vaporización instantánea. Serpentines. Separadores de vapor.........................................................................................................99 5.4. Calderas de agua caliente y sobrecalentada...............................................100 5.5. Calderas de fluido térmico...........................................................................101
6. ACCESORIOS Y ELEMENTOS ADICIONALES PARA CALDERAS...........................................................................................................103 6.1. Concepto..................................................................................................................... 104 6.2. Válvulas de paso o interrupción: asiento y compuerta................................104 6.3. Válvulas de retención: de asiento, de clapeta y de disco..................... 106 6.4. Válvulas de seguridad................................................................................. 107 6.4.1. Norma UNE 9-100-86. Válvulas de seguridad de calderas de vapor............................................................................................107 6.5. Válvulas de descarga rápida....................................................................... 114 6.6. Válvulas de purga continua......................................................................... 115 6.7. Indicadores de nivel: grifos y columnas ...........................................116 6.8. Controles de nivel por flotador y por electrodos................................... 117 6.9. Limitadores de nivel termostáticos..............................................................121 6.10...............................................................................................Bomba s de agua de alimentación....................................................................... 122 6.11...............................................................................................Inyect ores de agua ............................................................................. 123 6.13.2. Termómetros.................................................................126
VII
6.12..................................................................................................Cabal letes y turbinas para agua de alimentación................................................. 123 6.13...............................................................................................Manóm etros y termómetros................................................................................. 124 6.13.1.Manómetros............................................................................................124
6.14. Presostatos y termostatos ..................................................................... 6.14.1. Presostatos ................................................................................ 6.14.2. Termostatos ............................................................................... 6.15. Quemadores ............................................................................................ 6.16. Elementos del equipo de combustión ..................................................... 6.16.1. Ventilador de aire primario y secundario .................................. 6.16.2. Sonda de control de llama ......................................................... 6.16.3. Programador .............................................................................. 6.16.4. Válvulas magnéticas, neumáticas y electroneumáticas ........... 6.16.5. Sistema de encendido ................................................................ 6.16.6. Disposiciones legales en relación con los elementos del equipo de combustión .......................................................... 6.17. Estación de regulación y medida para gas ............................................. 6.17.1. Generalidades ............................................................................ 6.17.2. Elementos constitutivos de una estación de regulación y medida .....................................................................................
7. TRATAMIENTO DE AG UA D E CALDERAS ...................................... . 7.1. Características del agua para calderas: dureza, pH, oxígeno, aceite, salinidad .................................................................................................. 7.2. Descalcificadores y desmineralizadores ................................................ 7.2.1. Descalcificadores ......................................................................... 7.2.2. Desmineralización total ............................................................... 7.3. Desgasificación térmica y por aditivos ................................................... 7.3.1. Desgasificación térmica ............................................................... 7.3.2. Desgasificación química .............................................................. 7.4. Regulación del pH ................................................................................... 7.5. Recuperación de condensados. Purgadores .......................................... 7.6. Régimen de purgas a realizar ................................................................. 7.7. Problemas provocados por un mal tratamiento del agua de caldera .... 7.7.1. Corrosión ...................................................................................... 7.7.2. ncrustaciones ............................................................................. 7.7.3. Arrastre de condensado ..............................................................
8. CON D U CCIÓ N DE CALD ERAS Y SU MANT ENIMI ENTO .. .............. . 8.1.Intr oducción .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... .......... .......... . 8.1.1. Maximi zar la producc ión de vapor ... ................ ................ ............. 8.1.2. Optimiz ar las pérdida s energét icas ...... ................ ................
........ 8.1.3. Otras operaciones ........................................................................
VIII
126 126 127 127 130 130 131 132 132 132 133 136 136 137
139 140 152 152 153 156 156 158 159 159 162 164 164 165 166
167 168 168 168 170
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Tndice
8.2.
Ma nte ni miento de los generadores de va po r................................170 8.2.1. Pri me ra p uesta en ma rcha....................................................170 8.2.2. Puesta en ma rcha dia ria ............................................................... 170 8.2.3. Pu rgas de la calde ra ..................................................................... 171 8.2.4. Apagado de caldera ...................................................................... 172 8.2.5. Ma nteni miento y conservació n..................................................... 172 8.2.6. Obse rvaciones generales ............................................................. 173 8.2.7. Ca racterísticas del agua de al i mentació n .................................... 173 8.2.8. Co ntacto con el servicio de asistencia técnica del fa brica nte de la calde ra ................................................................................. 173 8.3. Ma nte ni miento de las redes de va por y condensado............................174 8.3.1. Pu rgado res de va po r.............................................................174 8.3.2. Vál vulas......................................................................................... 175 8.3.3. Progra ma de ma nteni mie nto de agua .......................................... 175 8.3.4. Instru mentación............................................................................ 175 8.3.5. Aisla mie ntos.................................................................................. 175 8.3.6. Fugas en tu berías ......................................................................... 175 8.3.7. Presencia de ai re .......................................................................... 175 8.3.8. Arrastres de ag ua con va por ........................................................ 176 8.4. Ma nte ni miento de equ i pos de uti l i zació n: condensadores y cam biadores de calor........................................................................176 8.4.1.Progra ma de ahorro de energía.........................................176 8.5. Pri mera p uesta en ma rcha................................................................177 8.5.1. Preca ucio nes i niciales .................................................................. 177 8.5.2. Llenado.......................................................................................... 178 8.5.3. Cocción .......................................................................................... 178 8.6. Puesta en servicio.................................................................................... 179 8.6.1. Proceso de encendido del q uemador ........................................... 179 8.6.2. Cesión de va po r ............................................................................ 179 8.6.3. Ma nómetros.................................................................................. 179 8.6.4. Ni veles de ag ua............................................................................. 180 8.6.5. Vál vulas de segu ridad ................................................................... 180 8.6.6. Eq ui po de p u rga ............................................................................ 180 8.6.7. Espu mas........................................................................................ 180 8.6.8. Pu rgas de lodos ............................................................................ 180 8.7. Puesta f ue ra de servicio .......................................................................... 180 8.7.1. Pa rada ........................................................................................... 180 8.7.2. Vaciado.......................................................................................... 181 8.7.3. Li m pieza ........................................................................................ 181
IX
8.8. Causas q ue hacen au menta r o d ismi n ui r la presión.................................181 8.9. Va riaciones de nivel en la caldera..........................................................182 8.10..................................................................................................Comu nicació n o i ncom u nicación de u na caldera con otras..............................................182 8.11..................................................................................................Revisiones y l i m piezas periódicas........................................................................................183 8.12..................................................................................................Ma nte ni miento en pa ro prolongado.............................................................................183 8.12.1. Conservación h ú meda......................................................................184 8.12.2. Conservación seca.............................................................................184 8.13. Revisión de ave rías.................................................................................. 184 9. R EG LAM ENTO D E EQUIPOS A PR ESIÓ N.................................................187
9.1. Introd ucció n.........................................................................................................188 9.2. Clasificación de los eq ui pos a presió n: a rtícu lo 9 del RD 769/1999, de 7 de mayo.......................................................................................190 9.3. Regla mento de eq ui pos a presión. ITC EP-1 - Calderas.......................192 9.3.1.Regla mento de eq ui pos a presión (extracto ref erido solamente a calderas)....................................................................192 9.3.2.Instrucción técnica complementa ria ITC EP-1 - Ca lderas................198
BIBLIOG RAFÍA............................................................................................................. 217 E N LAC ES W EB D E INTER ÉS..........................................................................219
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La formación y la puesta al día de los conocimientos tecnológicos que son necesarios para mantener un alto grado de compromiso de todas las personas implicadas en proce sos industriales requiere un uso eficiente y seguro de la energía. Con esta finalidad, los autores han llevado a cabo una amplia labor de consulta biblio gráfica con aporte de una dilatada experiencia en la industria papelera y en la formación universitaria, para dar a esta obra un soporte práctico y al mismo tiempo científico, y que las personas a las que va dirigida tengan en el libro una herramienta que además de ser vir de guía en su proceso de aprendizaje sirva como libro de consulta en su tarea diaria. La motivación de los autores al escribir esta obra, está basada en la aparición del Reglamento de equipos a presión, que entró en vigor en 2008 y en las escasas obras publi cadas sobre el tema, que aun siendo de buena calidad, están algo desfasadas en el tiempo. Por todas estas razones, la obra Manual práctico del operador de calderas industria les es un excelente libro de aprendizaje y consulta para los operarios y supervisores de calderas de muchos procesos industriales. La obra sigue el programa oficial del Reglamento de equipos a presión ITC EP1 - Calderas, que se exige para la obtención del carné de operador y al mismo tiempo amplía conceptos relacionados con la operación (bombas, soplantes, válvulas, lazos de control, etc.), eficiencia energética y seguridad de uso de las instalaciones productoras de ener gía térmica. Los autores agradecen a las empresas Spirax Sarco, Babcock Wanson, Talleres Patri cio Ruiz, Baltogar (Brunnschweiler), Bacharach, Samson, KSB-ITUR, Hidro Water y Orbi nox, por la autorización para la inclusión de figuras, fotografías y consejos técnicos en el libro, que ilustran y facilitan la comprensión del contenido de la obra. Los autores, Manuel Sanz del Amo, doctor ngenieroIndustrial y director técnico de una fábrica de papel y M.ª del Rosario Patiño Molina, doctora en Ciencias Químicas y Ca tedrática de Química Orgánica de la Universidad de Valladolid, cuentan con una amplia experiencia profesional y acción formativa suficientes, que con su esfuerzo y dedicación han hecho posible este libro, de fácil comprensión y al mismo tiempo de gran rigor científico.
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•• Esta unidad tiene como objetivo, proporcionar los conocimientos teóricos básicos de física y termo dinámica, necesarios para que el operador de calderas entienda y desarrolle mejor su trabajo. Adquirir habilidad con los cambios de unidades, tener una idea clara de lo que son las magnitudes fundamentales y derivadas, así como los conceptos de presión, temperatura, potencia, energía y todo lo relacionado con la generación y transferencia de calor es imprescindible para el desarrollo adecuado de la conducción de una caldera industrial.
Contenidos 1.1.
Unidades de medida
1.2.
Unidades de masa, densidad y volumen específico
1.3. Unidades de velocidad y aceleración 1.4.
Unidades de fuerza
1.5.
Unidades de presión
1.6.
Presión atmosférica
1.7.Temperatura, medida y unidades 1.8.
Caudal, unidades
1.9.
Energía, unidades
1.10.
Potencia, unidades
1.11.
Calor,entalpía, calor específico, unidades
1.12.
Cambios de estado: vaporización y condensación
1.13.Transmisión de calor: radiación, convección y conducción 1.14. Vapor de agua: saturado, sobrecalentado, recalentado y expansionado 1.15. Volumen específico del vapor de agua 1.16. Calor específico 1.17. Relación entre la presión y la temperatura de vapor 1.18. Tablas de transformaciones de unidades y tablas de vapor de agua
manual práctico del operador de calderas industriales
1.1. UNIDADES DE MEDIDA Para la observación de un fenómeno físico o químico, por ejemplo, se requiere la defini ción de las magnitudes de medida, que faciliten su explicación y comprensión.
1.1.1. Tipos de magnitudes de medida Hay dos tipos de medidas, unas que se denominan fundamentales y otras que se definen partiendo de estas, denominadas derivadas.
Magnitudes fundamentales Son las que no derivan de otras y son únicas en su especie, son el cimiento de la física y no pueden ni multiplicarse ni dividirse entre otras. Por tanto, no se definen en función de otras magnitudes físicas, sino que sirven de base para obtener las demás magnitudes utilizadas en la física.
Magnitudes derivadas Son las que resultan de multiplicar o dividir entre sí las magnitudes fundamentales. Los sistemas de medidas son CGS, MKS (sistema internacional) y sistema técnico, cuyas magnitudes fundamentales y algunas derivadas se muestran en la Tabla 1.1. Tabla 1.1. Unidades de medida. Magnitudes
Sistemas de medida
Símbolos
Fundamentales
CGS
MKS
Técnico
Longitud
Centímetro
Metro
Metro
Masa
Gramos
Tiempo
Segundo
Segundo
Intensidad de corriente
-
Temperatura
CGS MKS
Técnico
cm
m
m
o o
kg
UTM
Segundo
s
s
s
Amperio
-
-
A
-
-
Kelvin
-
-
ºK
-
Cantidad de sustancia
-
Mol
-
-
mol
-
Intensidad luminosa
-
Candela
-
-
cd
-
Derivadas
CGS
MKS
Técnico
Fuerza
Dina
Newton
Kilopondio
Dyn
N
Kp o Kgf
Energía
Ergio
Julio
Kilográmetro
Er
J
Kgm
Er/ s
w
Kgm/ s
Potencia
2
Ergio Segundo
Kilogramo Unidad técnica de masa
Vatio
Kilográmetro Segundo
CGS MKS
Técnico
Conceptos básicos
Otras magnitudes derivadas muy empleadas son: Caballo de vapor (CV): 0,736 kW Kilovatio x hora (kW x h): 864 kcal
-
1111
Ejemplo 1.1.
Realizar el cambio de unidades del kW x h a kcal. 1 kW x h
= 1 kJ/s x 3.600 s x 0,24 kcal/kJ = 864
kcal
Los múltiplos y submúltiplos de estas unidades se usan para cantidades muy grandes o muy pequeñas; por ejemplo, el espesor del recubrimiento de cromo de un acero se mide en micrómetros (µm), la distancia entre dos ciudades se mide en kilómetros (km), el espesor de una chapa se mide en milímetros (mm), etc.
1.1.2. Unidades de longitud, superficie y volumen Las unidades de longitud, superficie y volumen son el metro (m), el metro cuadrado (m2) y el metro cúbico (m3), respectivamente, y son las mismas en el SistemaInternacional (MKS) y en el Sistema Técnico. En el sistema británico, la longitud es la pulgada (l"), que equivale a 25,4 mm y 12 pulgadas equivalen a 1pie (I'). Las unidades de superficie y volumen son (1")2 y (1")3, respectivamente.
1.2. UNIDADES DE MASA, DENSIDAD Y VOLUMEN ESPECÍFICO Las unidades de masa, densidad y volumen específico guardan una cierta relación entre sí, por lo que se hace imprescindible definirlas por separado para facilitar su compren sión y distinguir claramente que la densidad y el peso específico numéricamente coinci den en ocasiones, pero son conceptos distintos.
1.2.1. Masa La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. En el Sistema MKS, la masa se expresa en kilogramos (kg), mientras que en el Siste ma Técnico, se expresa en Unidades Técnicas de Masa (UTM). En el Sistema británico se expresa en libras (lb), llb equivale a 0,453592 kg.
1.2.2. Densidad La densidad es la masa por unidad de volumen y se expresa en kg/m3 en el Sistema MKS.
manual práctico del operador de calderas industriales
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Conceptos básicos
1.2.3. Volumen específico Es el volumen por unidad de masa (es el inverso de la densidad) y se mide en m3/kg en
-T
Sistem a MKS.
1111
Ejemplo 1.2.
Las densidades del aire y del agua, medidas en condiciones normales (una presión de 1,013 kg/cm• y una temperatura de 20 ºC) son: • Densidad del aire es 1,2 kg/m" y su volumen específico es 0,83 m"/kg. • Densidad del agua es 1.000 kg/m• y el volumen específico es 0,001 m"/kg.
1.3. UNIDADES DE VELOCI DAD Y ACELERACI ÓN Las unidades de medida de la velocidad y aceleración son m/s y m/s2 respectivamente, tanto en el Sistema MKS como en el Sistema Técnico. Aunque la aceleración de la gravedad varía con la altitud del lugar,se considera que es 9,81 m/s2 •
1.4. UNIDADES DE FUERZA De acuerdo con la ley de Newton la fuerza es el producto de la masa por la aceleración. En el sistema MKS la unidad de medida es el Newton (N). 1N = kg x m/s2•
En el Sistema Técnico es el kilopondio o kilogramo fuerza. 1kp o kgf = UTM X m/s2 • Para pasar de N a kp hay que dividir por 9,81. En el Sistema británico llibra equivale a 4,448 N (MKS) o a 0,454 kgf (ST).
1.5. UNIDADES DE PRESIÓN La presión ejercida sobre un cuerpo se define como la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie. F P= -
S
En el Sistema internacional (MKS) la unidad de medida es el pascal (Pa) que se define como la presión que ejerce una fuerza de un newton (N) sobre una superficie de un metro cuadrado (m2).
manual práctico del operador de calderas industriales Otras unidades de presión se muestran en la Tabla 1.2. Tabla 1.2. Otras unidades de presión. Unidades
Equivalencias 1 bar
Bar Milibar
1 kgfi'cm 2 1 mbar
Kgf/cm 2
105 N/m 2 98.000 N/m 2 l02 N/m 2
10' Pa 98.000 Pa 102 Pa
mm Hg
milímetros de columna de mercurio
m.c.a.
metros de columna de agua
mm.e.a.
milímetros de columna de agua
Kgf/m 2
1 kgfi'm 2 1 kp/cm2
9,8 N/m2
9,8 Pa
Las equivalencias del pascal son: 1Pa = 0,1mm.e.a. 1kPa = 0,1m.c.a.
En el Sistema británico la unidad de presión es 1 psi = 0,7 kgf/(cm2 de pulgadas de columna de agua), o pulgadas de columna de mercurio, etc. Y su equivalencia con el sistema MKS es 1Kpa = 0,145 psi. Fue Torricelli quien midió por primera vez la presión mediante el barómetro de mer curio. A la presión medida mediante el experimento de Torricelli se la denomina presión absoluta. El barómetro de mercurio por excelencia es el de Torricelli, pero además están el de Hooke, el de Fortín, y el de Tonnelot. Cuando se toma como referencia la presión atmosférica como origen de presiones aparece un nuevo concepto que se denomina presión relativa o manométrica, que es la presión que mide un manómetro, es decir, la presión en el interior de un recipiente, tomando como cero la presión atmosférica. Cuando los valores de la presión de los fluidos son muy bajos es bastante habitual usar como medida de presión la altura manométrica, tomando como referencia la pre sión ejercida sobre el fondo del recipiente de una columna de agua. Así, por ejemplo, 10 metros de columna de agua (m.c.a) equivalen a 1kg/cm2 • Aunque hay una gran variedad de manómetros los más empleados son los de Bourdon.
Conceptos básicos
1.6. P R ESIÓ N ATM OSFÉRICA La presión atmosférica es la presión que ejerce la masa gaseosa (denominada atmósfe ra) sobre la superficie de la tierra. La presión atmosférica fue determinada por primera vez por Torricelli.
1.6.1. Experimento de Torricelli Consiste en llenar de mercurio un tubo de vidrio de un metro de altura cerrado por un ex tremo, tapar con un dedo el extremo abierto, darle la vuelta y sumergirlo en un recipiente abierto con mercurio, dejando la parte abierta del tubo hacia abajo. Al retirar el dedo se observa que la altura de la columna de mercurio desciende hasta un valor de unos 760 mm, quedando vacío (vacío absoluto) en la diferencia hasta completar 1m. La presión P sobre un punto cualquiera de la superficie del mercurio en el recipiente de la Figura 1.1es igual a la presión atmosférica, mientras que la presión sobre cualquier punto interior al tubo viene dada por la expresión:
P = p x g x h Tubo de 1 cm2 de sección 240 mm
- ••.. >
-·······¿....-·····_. Columna de Hg
•..,..-··:?-····/ 760 mm Presión
Donde: P: Presión p: Densidad del mercurio g: Aceleraclón de la gravedad h: Altura de la columna de mercurio
atmosférica
W: Peso de la columna de mercurio
11 1 1 111 ;:;_n_te con -- ....
Hg
- ..
Figura 1.1. Experimento de Torricelli.
Si el experimento de Torricelli se hace al nivel del mar, a una temperatura de O ºC, como la densidad del mercurio es p = 13,59 g/cm3 y asumiendo que la gravedad es 980,6 cm/s2 en todos los puntos de la tierra, se obtiene la presión conocida como presión normal o atmósfera física.
P = p x g x h
manual práctico del operador de calderas industriales 1atm = 13,59 g/cm3 x 980,6 cm/s2 x 76 cm = 1,013 kgf/cm2
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o
'ü
ii w
@
Conceptos básicos
En gran cantidad de procesos industriales se emplea como unidad de presión la de nominada atmósfera técnica, que equivale a 1kgf/cm2 = 1kp/cm2• También se utilizan otras unidades de presión para medir la presión atmosférica: 1atm = 1.013 mbar "" 1bar "" 105 Pa 1atm 1.333 mbar :::e 133 Pa 1torr = 760 El torr es la presión correspondiente a la altura de 1mm de columna de mercurio.
1.7. TEM PERATU RA: M EDIDA Y U NIDADES La temperatura es una magnitud que indica la mayor o menor cantidad de calor de un cuerpo. El calor que tiene un cuerpo viene determinado por la suma de las energías ciné ticas que poseen las moléculas de dicho cuerpo y la temperatura es la medida de dicho potencial (siguiendo un símil eléctrico el calor es a la intensidad, lo que la temperatura es a la diferencia de potencial). El calor tiene la tendencia a pasar de los cuerpos que están a mayor temperatura a los cuerpos que están a menor temperatura. Conviene remarcar que aunque el paso de calor de unos cuerpos a otros está relacio nado con la temperatura de estos, calor y temperatura son conceptos distintos. La cantidad de calor que tiene un cuerpo viene dada por la expresión:
Donde: Q: cantidad de calor K: coeficiente constante para cada sustancia m: masa de cada molécula n: número de moléculas v: velocidad de movimiento de las moléculas Si Mes la masa: M= nx
m
Sustituyendo en la ecuación anterior: y2
Q= KXMX-
2
Por otra parte, la temperatura, T, de un cuerpo es una medida de ese potencial energético: T= HXv2
manual práctico del operador de calderas industriales
Donde: H: es una constante que depende de cada cuerpo v: velocidad de movimiento de las moléculas Sustituyendo esta expresión en la ecuación anterior se obtiene la expresión del calor específico: Q=
K
Para medir la temperatura se emplean los termómetros.
Tipos de termómetros Los termómetros están basados en los efectos que producen al variar la cantidad de calor: • Termómetros de dilatación. • Termómetros de presión. • Termómetros de resistencia. • Termómetros termoeléctricos. • Pirómetros ópticos.
Escalas termométricas Las escalas termométricas se pueden dividir, a su vez, en absolutas y relativas. a) Escalas termométricas absolutas Escala Kelvin: la referencia es el punto triple del agua, en este punto coexisten los tres estados (sólido, líquido y gaseoso). El punto triple del agua se produce a una temperatura de 273,16 ºK (0,01 ºC) y una presión absoluta (presión parcial del vapor de agua) de 0,0060373057 atmósferas. p
Punto critico
T
Figura 1.2. Diagrama presión-temperatura .
a
Conceptos básicos
En un típico diagrama de fase (Figura 1.2), se muestran los puntos de congelación, de ebullición, de sublimación y el punto triple haciendo mención también al comportamiento anómalo del agua. El cero absoluto lo calculó Kelvin; demostrando que al enfriar un gas, su volumen va disminuyendo proporcionalmente con su temperatura. A partir de estos datos, Kelvin calculó por extrapolación que si se sigue enfriando el gas, al llegar a una temperatura próxima a -273,15 grados Celsius el volumen tiende a cero, con independencia de la composición o el volumen del gas empleado, concluyendo el científico que esa tempera tura era un mínimo absoluto para cualquier sustancia. Para bajar la temperatura de un cuerpo hay que enfriar, Kelvin concluyó que un gas alcanza el cero absoluto cuando se le ha extraído la totalidad de su energía. Planteando la equivalencia entre materia y energía, en el momento en que un gas alcanza el cero absoluto, debe desaparecer, ya que al quedarse sin energía también se queda sin materia. Escala Rankine: tiene el mismo concepto que la escala Kelvin pero para el Sistema británico. El rango de medida va desde O ºR a 460 ºR. b) Escalas termométricas relativas Escala Celsius: sus referencias son los puntos de fusión (0 ºC) y de evaporación (100 ºC) del agua. Escala Fahrenheit: sus referencias son el punto de fusión de la mezcla frigorífica de agua y cloruro de amonio (0 ºF) y el punto de fusión del agua sin esta sal (el 32 ºF). La relación entre las escalas se muestra en la Figura 1.3. Escalas de temperaturas
• o
+32
•
•
+2
Celsius
?
q>
Kelvin
73
+492
Fahrenheit
+4fO
•
-273
-460
• •
Rankinc
Figura 1.3. Relación entre las escalas de temperatura .
manual práctico del operador de calderas industriales
Existe una tercera escala relativa denominada Réaumur pero actualmente está en desuso. Las relaciones entre estas escalas absolutas y relativas se muestran en la Tabla 1.3. Tabla 1.3. Cambio de unidades de temperatura . De
A
Factor de conversión
Factores de conversión de las fó1mulas 9/5 = 1,8
10
9/4 = 2,25
10/8 = 1,25
Fahrenheit
Celsius
C = (F - 32)/ 1,8
Fahrenheit
Kelvin
K = (F + 459,67)/ 1.8
Fahrenheit
Rankine
Ra = F + 459,67
Fahrenheit
Réaumur
Re = (F - 32)/2,25
Celsius
Fahrenheit
F = e x 1,8 + 32
Celsius
Kelvin
K = C + 273,15
Celsius
Rankine
Ra = C x 1,8 x 32 + 459,67
Celsius
Réaumur
Re = Cx 0,8
Kelvin
Celsius
C = K -273,15
Kelvin
Fahrenheit
F = K x 1,8 -459,67
Kelvin
Rankine
Ra = K x 1,8
Kelvin
Réaumur
R = (K - 273,15) x 0,8
Rankine
Celsius
e = (Ra - 32 -459,67)/1,8
Rankine
Fahrenheit
F = Ra -459,67
Rankine
Kelvin
K = Ra/ 1,8
Rankine
Réaumur
Re = (Ra - 32 -459,67)/2,25
Réaumur
Celsius
C = Re x l ,25
Réaumur
Fahrenheit
F = Re x 2,25 + 32
Réaumur
Kelvin
K = Re x 1,25 + 273,15
Réaumur
Rankine
Ra = Re x 2,25 + 32 + 459,67
1.8. CAU DAL, U NIDADES Se denomina caudal a la cantidad de fluido que pasa por un conducto en la unidad de tiempo. El caudal volumétrico en los sistemas MKS y Técnico se mide en m3/s. El caudal másico, en el sistema MKS se mide en kg/s. Las unidades del sistema británico son: • cfm (pies cúbicos por minuto), 1cfm equivale a 0,471947 dm3/s. • gmp (galones por minuto), 1gmp equivale a 0,063002 dm3/s.
1.9. EN ERGÍA, U NIDADES Se denomina energía a la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. La unidad en el SistemaInternacional es el julio (J): 1julio (J) = 1newton (N) x 1metro (m). La unidad en el Sistema Técnico es la kilocaloría (kcal). El sistema anglosajón utiliza la British Thermal Unit (BTU). Los factores de conversión de las distintas unidades de energía se muestran en la Tabla 1.4. Tabla 1.4. Factores de conversión de las distintas unidades de energía . Unidades
Equivalencia
I BTU
1,055 kJ
I CV
2,684 kJ
I BTU
0,252 kcal
I kcal
4,186 kJ
I kgm
9,80 J
I kcal
4 BTU
1.10. POTEN CIA, U NIDADES Se denomina potencia al trabajo realizado por unidad de tiempo. La unidad de potencia en el sistema MKS es el vatio (W) o su múltiplo el kilova tio (kW). El vatio equivale a un julio por segundo (W = J/s). Algunas equivalencias de potencia de los sistemas métrico y británico se muestran en la Tabla 1.5.
manual práctico del operador de calderas industriales Tabla 1.5. Factores de conversión de las distintas unidades de potencia. Unidades
Equivalencia
1 kW
860 kcal/h
1 kW
1,36 CV
0,736 kW
1 CV
1 kW
3,412 BTU/h
1 termia (th)
1.000 kcal
1.11. ENTALPÍA, CALO R Y CALO R ESPECÍFICO, U NIDADES El calor es un concepto intuitivo y bien conocido, pero calor específico y entalpía no lo son, se ha creído conveniente definirlos y explicarlos ampliamente, para facilitar la comprensión de fenómenos termodinámicos que se emplean en partes del libro y que es necesario que los operadores los asimilen y entiendan, a pesar de no ser conocedores de la termodinámica.
1.11.1. Ental pía y calor De acuerdo con el primer principio de la termodinámica, la variación de la energía inter na de un sistema es igual a la variación de entalpía menos la variación de la presión y volumen que experimenta. flU = fl H - fl(P X V) flU = fl H - [(P X fl V) + ( V X flP)] Siendo: U: energía interna H: entalpía P: presión V: volumen Por tanto, la variación de entalpía es: fl H = flU
+ fl(P X
V)
En consecuencia, al suministrar calor a un gas, una parte se emplea en aumentar su energía interna y el resto en dilatarlo y hacer un trabajo mecánico. Este caso general tiene dos casos particulares frecuentes: a) Proceso a presión constante: (flP = 0) flU = fl H - P
12
X
11 V; Wt = P
X
11 V -flU = fl H - Wt
Conceptos básicos
Luego la variación de energía interna es igual a la variación de entalpía menos el trabajo técnico.
13
b) Proceso a presión y volumen constantes: (flP = O y fl V = 0) flU = fl H
En este caso la variación de energía interna es igual a la variación de entalpía o cantidad de calor.
1.11.2. Calor específico El calor específico es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de una masa de agua de 1gramo, en 1ºC, partiendo de una temperatura de 25 ºC. Como la caloría es una unidad muy pequeña se emplea la kilocaloría (1kcal = 1.000 cal), la termia (1 th = 1.000 kilocalorias) y la tonelada equivalente de petróleo (1 tep = 10.000 termias). El calor específico es un valor que está referido al agua al que se asigna el valor 1y el resto de las sustancias toman esta referencia, por eso su valor es siempre inf erior a 1para las mismas. Los valores de ese calor específico medio de algunas sustancias se muestran en la Tabla 1.6. Tabla 1.6. Calor específico medio de algunas sustancias (kcal/kg ºC). Sustancia
Calor especifico
Agua
l
Cobre
0,0952
Hielo
0,4740
Mercurio
0,0333
Aluminio
0,2122
Estaño
0,0562
Hierro
O,ll24
Plomo
0,0314
1.12. CAMBIOS DE ESTADO: VAPORIZACIÓN Y CONDENSACI ÓN
La materia se presenta en la naturaleza en tres estados diferentes (sólido, líquido y ga seoso) tal y como se muestra en la Figura 1.4.
manual práctico del operador de calderas industriales
{(:o:, Estado LÍQUIDO
Estado GASEOSO
Figu ra 1.4. Cambios de estado de la materia.
Los diversos cambios de estado se denominan de la forma siguiente: Sólido - Líquido: Fusión - Solidificación Líquido - Gas: Vaporización/Ebullición - Condensación/Licuefacción Sólido - Gas: Sublimación - Cristalización/Sublimación inversa
El estado sólido presenta una fuerte atracción de sus moléculas (cohesión) y se man tiene el volumen y la forma. Si a un cuerpo en estado sólido se le suministra calor, au menta su energía interna logrando vencer las fuerzas de cohesión de sus moléculas, con lo que se pasa a estado líquido que mantiene el volumen pero no la forma. Si se continúa aportando energía calorífica a dicho cuerpo se llega al punto en que la energía molecular del cuerpo es superior a la fuerza de cohesión de sus moléculas alcanzándose el estado gaseoso, en el que no se conserva ni el volumen ni la forma. Cuando se aporta calor a una sustancia se incrementa su temperatura, salvo si cambia de estado, en cuyo caso la temperatura se mantiene constante, aunque siga absorbiendo calor. La cantidad de calor absorbida o cedida para realizar el cambio de estado es una constante que se denomina calor latente y es diferente para cada cuerpo. Calor latente: es el calor absorbido o cedido para realizar un cambio de estado. QJ.. =
mX
}.,
Donde Q). es el calor de cambio de estado, m es la masa y }., es el calor latente de la sustancia. Calor sensible: es el calor cedido o absorbido para elevar la temperatura de un cuerpo sin llegar a producir un cambio de estado. Q5 = m X Ce X (T,- T)
Donde: Q5: calor sensible m: masa Ce: calor específico r,: temperatura final T;: temperatura inicial
Conceptos básicos Calor total: es el calor total utilizado. QT = Qs
+ Q,. = m X
ce
X
( T,- T)
+ mX A
En la Tabla 1.7 figuran los valores de los cambios de estado de algunas sustancias. Tabla 1.7. Calor latente de fusión (\) y ebullición ( J.) de algunas sustancias (kJ/kg). T3 ebullición º C
Av
o
\ 334
100
2.260
Alcohol etílico
-114
105
78,3
846
Acetona
-94,3
96
56,2
524
Sustancia
Tª de fusión º C
Agua
Benceno
5,5
127
80,2
396
Aluminio
658,7
322 - 394
2.300
9.220
Estaño
231,9
59
2.270
3.020
Hierro
1.530
293
3.050
6.300
Cobre
1.083
214
2.360
5410
Mercurio
-38,9
11,73
3.56,7
285
Plomo
327,3
22,5
1750
880
Potasio
64
60,8
760
2.080
Sodio
98
113
883
4.220
-T-
11111
Ejemplo 1.3.
Determina el calor que hay que suministrar para convertir 1 g de hielo a -20 ºC en vapor a 100 ºC partiendo de los datos siguientes: Calor específico del hielo C"' = 2.090 J/kg ºK Calor de fusión del hielo Afh = 334 kJ/kg Calor específico del agua C,,, = 4.180 J/kg ºK Calor de vaporización del agua \.= 2.260 kJ/kg Etapas:
1.a Se eleva la temperatura de 1 g de hielo de --20 ºC (253 ºK ) a O ºC (273 ºK ) Q, = 0,001 kg X 2.090 J/kg ºK X (273 - 253) ºK = 0,0418 kJ = 41,8 J 2.ª Se
funde el hielo (hielo a O ºC - agua a O ºC)
Q2 = 0,001 kg X 334 kJ/kg = 0,334 kJ = 334 J
s.ª Se eleva la temperatura del agua de 0° C (273 ºK) a 100 ºC (373 ºK) Q, = 0,001 kg X 4.180 J/kg ºK X (373 - 273) ºK = 0,418 kJ = 418 J El calor total 1.5.
Q= Q,+ Q.+ Q.+ Q.= 3.053,8J se muestra de forma gráfica en la Figura
15
manual práctico del operador de calderas industriales 4.ª Se
pasa de agua a 100 ºC a vapor a 100 ºC
Q._ = 0,001 kg X 2.260 kJ/kg = 2,260 kJ = 2.260 J
18
T
100
50
· 41,8
2260 J
J
334
J
" Vapor
o ; ¡
20
Agua + Hielo
Hielo
Q
Cambios de estado
Calor (J)
T (ºC) -20
Punto inicial
o
Hielo a -20 ºC a hielo a O ºC
41,8
Hielo a O ºC a agua a O ºC
334,0
o o
Agua a O ºC a agua a 100 ºC
418,0
100
Agua a 100 ºC a vapor a 10 ºC
2260,0
100
Figura 1.5. Diagrama temperatura-cantidad de calor en los cambios de estado del agua.
La tabla de la Figura 1.5 muestra que, en todo el proceso de calentamiento, la vapo rización del agua es la que más calor requiere, 2.260 julios, lo que representa el 74 % del total de 3.053 julios. Estos valores son variables en función de la presión en que se verifica el cambio de estado, como puede verse en las tablas de agua-vapor que se muestran en el apartado 1.18. Si a un líquido sometido a cierta presión se le suministra calor, su temperatura au menta hasta un valor en el que se produce el inicio de la evaporación, este punto se de nomina líquido saturado. Si se sigue aumentando la cantidad de calor,aparecen una serie de estados sucesivos que son mezclas de líquido y vapor que se denominan vapor húme do; si continúa el aumento de calor hasta que desaparece todo el líquido, a este punto se le denomina vapor saturado y si se sigue aportando calor, la temperatura comienza a subir nuevamente, llegando al punto de vapor sobrecalentado. Todo este fenómeno no depende más que de la presión y de la naturaleza del fluido. Se denominan vapores aquellos gases que en condiciones normales de presión y temperatura (1atm y temperatura ambiente) su estado normal es el líquido. Por ejemplo, se debe decir vapor de agua y no gas de agua y a su vez se debe decir gas de oxígeno y no vapor de oxígeno.
manual práctico del operador de calderas industriales 1.13. TRANSMISIÓN DE CALOR: RADIACIÓN, CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN El calor se transmite de unos cuerpos a otros de tres formas diferentes, conducción, convección y radiación, tal y como muestra la Figura 1.6. CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
Figura 1.6. Diferentes formas de transmisión de calor.
En la mayoría de situaciones, la transmisión de calor se produce por las tres formas, pero en ocasiones la transmisión en una de las formas es tan elevada que las otras dos pueden despreciarse.
1.13.1.
Transmisión de calor por conducción
La conducción es la propagación del calor en el interior de un cuerpo o entre cuerpos que están en contacto de forma que la transmisión tiene lugar sin movimiento de las molé culas de la materia. El calor se propaga de molécula a molécula haciendo que entren en vibración y choquen con las contiguas. El calor aplicado en un punto hace que aumente la energía interna de las moléculas, traspasando su estado de agitación a las moléculas contiguas y así sucesivamente. El flujo de calor que se propaga a través de un cuerpo depende de dos factores: • La diferencia de temperaturas. • El tipo de material. La conductividad térmica es la cantidad de calor que se pasa por unidad de tiempo a través de un metro cuadrado de superficie de una pared de caras planas de un metro de espesor, cuando entre ambas hay una diferencia de temperatura de 1ºC e indica la capacidad de un material para transmitir el calor en su propio seno. Se representa por }., y sus unidades son: kcal WX m w = b. --
m x h x ºC
§
o 1en ,._ =
= m X ºC ºC En la Tabla 1.8 se muestran los coeficientes de conductividad de diversos materiales.
m
2
X
11. ID e
o
"ü @
l i'
manual práctico del operador de calderas industriales
Tabla 1.8. Coeficientes de conductividad de diversos materiales ( m
) x kcal h x ºC .
Material
Temperatura ºC
Conductividad térmica
Acero
100
38,60
Cobre
100
324,00
Fundición de hierro
100
45,00
Madera
20
0,12
Fibra de vidrio
100
0,045
La cantidad de calor transmitida por conducción viene dada por la ley de Fourier, cuyas expresiones difieren cuando se trata de una superficie plana, un cilindro o una esfera.
Cantidad de calor que atraviesa una pared plana por conducción La cantidad de calor que se transmite a través de una superficie plana depende de la superficie, la diferencia de temperaturas entre ambas caras, del espesor y de la conduc tividad térmica del material, según la siguiente expresión:
s A.X S x .6.T Q =-e -
Q
Donde: Q:
1
1
,,,,,,,,,>------
es elflujo de calor en Kcal/h es la conductividad térmica en Kcalxh x•c S: es el área de la superficie plana en m'
11.:
.6.T: es la diferencia de temperatura entre las dos caras de la pared e: es el espesor de la pared
Figura 1.7. Flujo de calor a través de una superficie plana.
Cantidad de calor que atraviesa una pared cilíndrica por conducción
18
Conceptos
La cantidad de calor que se transmite a través de una superficiebásicos cilíndrica depende de los diámetros interior y exterior,la diferencia de temperaturas entre ambas caras y de la conductividad térmica del material, según la siguiente expresión:
t,-t,
Q = 2 X :n:Xi.. X---
1n
L
Donde:
]
º·
Q: es elflujode calor en Kcal/h )..: es la conductividad térmica en Kcal/(mx hx ºC) D1:es el diámetro Interior del tubo en m D2 :es el diámetro exterior del tubo en m L: es la longitud del tubo t 1: es la temperatura de la caraInterior del tubo en °C
t 2 :esla temperatura de la cara exterior del tubo en °C
Figura 1.8 Flujo de calor a través de una superficie cilíndrica.
Cantidad de calor que atraviesa una pared esférica por conducción La cantidad de calor que se transmite a través de una superficie esférica depende de los diámetros interior y exterior, la diferencia de temperaturas entre ambas caras y de la conductividad térmica del material, según la siguiente expresión: ---.---··-··-··-··-··-··-···"···-··-·-·-··-·· .
Donde: Q: es el flulo de calor en Kcal/h
A: es la conductividad térmica en Kcal/(m X h X ºC) D1 : es el diámetro de la esfera interior en m
o2 :es el diámetro de la esfera exterior en m t 1 : es la temperatura de la caraInterior de la esfera menor en oC t 2 :es la temperatura de la cara exterior de la esfera mayor en oC
----L.-..._e.:.:•:..-····· ··-··-··-·····-·-·· ··-··
Figura 1.9. Flujo de calor a través de una superficie esférica . ii w
@
42 e ·¡; ro e
" '
(1
)
.
o ü
3.2. T r a n s m i s i ó n d e c a l o r p o r c o n v e c c i ó n
La convección se define como la transmisión de energía calorífica de un punto a otro de un fluido por movimiento de la propia materia. Los líquidos y los gases son malos conductores del calor, por ello la transmisión de calor se realiza, con o sin cambio de estado, principalmente por convección. La convección puede ser: libre o natural y forzada.
19
manual práctico del operador de calderas industriales
Convección libre o natural Al aportar calor a un fluido, aumenta su temperatura y disminuye su densidad, por esa razón las moléculas calientes ascienden y este movimiento hace que el calor se transmita de unas moléculas a otras del fluido. Un ejemplo, es el que se produce al calentar un líquido por la parte inferior del reci piente en que se encuentra. Las moléculas captan la energía y entonces se desplazan en sentido ascendente a través del líquido frío a la parte superior del recipiente. Otro ejemplo típico de convección natural, es el tiro de las chimeneas. Al aumentar la temperatura de un fluido (gas) se produce el movimiento ascensional de las moléculas más calientes.
Convección forzada: laminar o turbulenta En la convección forzada interviene un nuevo elemento, generalmente una bomba de circulación o un ventilador,que incrementa el movimiento molecular del fluido. El flujo de un fluido circulando por una tubería, su velocidad es máxima en el eje del tubo y disminuye hasta anularse en la pared. En las inmediaciones de la pared del tubo, el líquido, como consecuencia de la viscosidad, tiene velocidad próxima a cero formando una capa de transición, denominada capa límite. Este movimiento puede producirse en régimen laminar o en régimen turbulento, se gún sea el valor de la velocidad del fluido y cuando la velocidad alcanza su valor crítico se produce el tránsito del régimen laminar al turbulento. Los factores que intervienen en uno u otro régimen, son: a) El número de Reynolds (Re). p X vX D Re = --µ
Donde: Re: número de Reynolds, que es un número adimensional v: velocidad D: diámetro µ: viscosidad b) Rugosidad de las paredes del circuito. El régimen de flujo es laminar para Re = 2.300; inestable (pudiendo ser laminar o turbulento) para valores de Re entre 2.300 y 5.000 y turbulento para Re > 5.000.
20
Conceptos básicos Para el estudio de la transmisión de calor por convección, las fórmulas se complican dado que sus cálculos son básicamente experimentales como consecuencia de que el fluido transmisor está en movimiento.
Hay dos casos que tienen un interés práctico: a)Superficies planas: 10,181
Q=CX
T- X (87) 1•2666
X
(1 + 0,794
X
v )º·5
m
b)Superficies cilíndricas: 10,2
Q=CX
d
10,181
X
T- X (87) 1•2666
X
(1 + 0,794
X
v )º·5
m
Donde: k 1 Q: calor transmitido en ca 2 hx m C: coeficiente experimental d: diámetro en m T+ T ª en ºC Tm: temperatura media Tm s 2 = 8T = Ts - Ta T5: temperatura de la superficie en ºC Ta : temperatura ambiente en ºC
1.13.3. Transmisión de calor por radiación Todo cuerpo a una temperatura mayor de O ºK emite energía radiante en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz en el aire o en el vacío. La energía radiante emitida se propaga en línea recta y es función de la temperatura y de la superficie del cuerpo emisor. Cuando las ondas inciden sobre un cuerpo que no es transparente a ellas, son absor bidas y su energía se transforma en calor. Se define como cuerpo negro aquel que es capaz de absorber toda la radiación que recibe. Un cuerpo que absorbe bien la radiación es también un buen emisor. Las superficies metálicas pulidas absorben y emiten poca radiación. La emisividad (E) es la relación entre el poder emisivo real de la superficie del mate rial y del poder emisivo que tendría si fuese un cuerpo negro. Varía de O a 1, siendo l la correspondiente al cuerpo negro. La ecuación de Stefan-Boltzman define las variables que influyen en la cantidad de energía emitida por un cuerpo en la unidad de tiempo. Q = E X 5 X a X T4
21
Conceptos básicos
Donde: Q: calor emitido en kcal/h kcal a: constante de Stefan-Boltzman = 4,88 x 10-s en ----
h X m 2 X T4 5: superficie en 2 m E: emisividad del cuerpo (es adimensional ya que está referida al cuerpo negro) T: temperatura de la superficie en ºK Un cuerpo con temperatura superior a O ºK emite energía radiante al ambiente y simultáneamente recibe energía radiante procedente del ambiente_ Si se trata de una superficie S (en m2), con una emisividad E, a una temperatura T1 (en ºK) en un ambiente a una temperatura Tª (en ºK), la energía neta Q que recibe, en kcal/h, viene dada por la expresión: Q = 4,88 X 10-s X 5 X
E X
(T/ -T3 4)
En la Tabla L9 se muestran diversos coeficientes de emisividad_ Tabla 1.9. Coeficientes de emisividad de diferentes superficies. Superficie
Coeficiente
Acero inoxidable
0,28
Aluminio pulido
0,09
Aluminio oxidado
0,25
Chapa de acero
0,55
Chapa de acero oxidado
0,65
Fibra mineral
0,70
Asbesto-Cemento
0,90
Acero galvanizado
0,30
Pintura negra
0,87
Pintura de aceite
0,94
Pintura de aluminio
0,52
Yeso
0,95
1.14. VAPOR DE AGUA: SATURADO, SOBRECALENTADO, RECALENTADO Y EXPANSIONADO Entre los distintos estados de la materia, hay un caso especial como es el agua y, en particular el caso del vapor de agua es especialmente relevante. Se han hecho diversos experimentos y realizado distintas curvas, relacionando las variables presión, volumen y temperatura, siendo la experiencia de Andrews pionera en este asunto.
Experiencias de Andrews En 1869 Andrews comprimió C02 a temperatura constante utilizando un cilindro de pare des resistentes, dentro del cual había un manómetro y un termómetro, como se muestra en la Figura 1.10. Termómetro
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., C02
\
CIiindro Figura 1.10. Experimento de Andrews.
Manteniendo constante una temperatura determinada, Andrews fue disminuyendo el volumen y leyendo la presión y el volumen en cada instante. Repitiendo el experimento a diferentes temperaturas, determinó una serie de puntos tales como Vu, VL2 , VL3, Vv 1, Vv 2 , Vv 3 , de forma que al unirlos obtuvo una curva, denominada curva de saturación. Esta curva tiene un máximo que coincide con el punto crítico y que la divide en dos, la parte de la izquierda corresponde a los puntos del líquido saturado y la parte de la derecha a los del vapor saturado, tal como se muestra en la Figura 1.11.
42
e ·¡; ro
"'
(1 )
e o . ü
ii w
@
23
Conceptos básicos
p Punto critico Punto triple
Figura 1.11. Diagrama presión-volumen-temperatura .
Andrews repitió el experimento con otras sustancias y mezclas viendo que cada sus tancia tiene su propia temperatura crítica, por encima de la cual no es posible licuar o condensar el gas, cualquiera que sea la presión, es decir,que para condensar el gas solo se consigue enfriándolo a una temperatura inferior a la crítica. En el caso del vapor de agua el comportamiento es similar; así partiendo del punto X de la curva isoterma T,se empieza a comprimir el vapor manteniendo constante la tempe ratura hasta alcanzar el punto F (vapor saturado), si se sigue comprimiendo aparecen las primeras gotas de líquido, que van aumentando hasta el punto D (líquido saturado) donde se alcanza la total desaparición del vapor, pasando por una serie de estados intermedios, con distintas mezclas líquido-vapor. A las diferentes proporciones líquido-vapor se las denomina título del vapor, que varía de O a l.Cuando este valor es cero, se dice que es un líquido saturado, y cuando es uno, es un vapor saturado, pasando por estados intermedios dentro de este rango. Este fenómeno ocurre cuando no se parte de la temperatura crítica o superior, para la cual, por mucho que se comprima el vapor nunca se llega a licuar,esta temperatura se denomina temperatura crítica y la presión y volumen también se denominan críticos, es lo que se denomina punto crítico "C". A modo de resumen se definen los siguientes conceptos relacionados con el vapor de agua:
manual práctico del operador de calderas industriales
Vapor saturado Un vapor es saturado, cuando sus condiciones de presión y temperatura corresponden al punto de cambio de estado. En la práctica se denomina vapor saturado seco si en su seno no existe partícula alguna de agua en estado líquido y vapor húmedo si en su seno hay partículas de agua en estado líquido.
Vapor sobrecalentado Es el vapor que habiendo llegado a vapor seco (sin fase líquida), se le continúa suminis trando calor. Es el vapor proveniente de una caldera.
Vapor recalentado Es el vapor proveniente de una máquina que ha cedido calor o parte de energía y vuelve a calentarse. Por ejemplo, el calor que proviene de una turbina y se envía a un recalentador para elevar su temperatura.
Vapor expansionado o vapor flash Es el vapor que se genera cuando se expansionan los condensados, es el llamado vapor flash producido en un depósito de revaporización.
1.15. VOLUMEN ESPECÍFICO DEL VAPOR DE AGUA Se denomina volumen específico de un cuerpo al volumen ocupado por la unidad de masa de dicho cuerpo siempre y cuando este sea homogéneo. Vo 1 umen espec1'f'1co = Volumen Masa Por otra parte, se denomina densidad a: . Masa Densidad = 1 Vo umen El volumen específico Ve es la inversa de la densidad p: 1 Ve = p En el caso del vapor hay que tener en cuenta que es muy compresible, su volumen depende de la presión y de la temperatura que soportan, por lo que para poder estudiar el volumen y la presión de una masa de vapor, es necesario mantener la temperatura durante el proceso (compresión isotérmica). Cuando un gas se comprime sin variar la temperatura, su volumen disminuye de tal forma que para una determinada masa gaseo-
25
manual práctico del operador de calderas industriales
sa (m), el producto de la presión (P) por el volumen ( V) se mantiene constante según la Ley de Boyle-Mariotte: P x V = cte. También se cumple que para dos situaciones de una misma masa de vapor, una a presión P1y un volumen V1 y otra de volumen V2 y presión P2 : P1 x
v1 = P2 x v2 = cte.
Y como la masa no cambia, aunque sí lo haya hecho el volumen, la igualdad anterior se cumple también con los volúmenes específicos: P1 X Ve1 = P2
X
Ve2 = cte.
Por tanto, los volúmenes específicos de vapor saturado disminuyen al aumentar la presión y son siempre mayores que los volúmenes específicos de líquido, excepto en el punto crítico "C", donde ambos son iguales.
1.16. CALO R ESPECÍFICO Como ya se ha comentado, el calor específico es la cantidad de calor que hay que ceder a la unidad de masa para que su temperatura aumente un grado. Las unidades son: caloría x g·1x °K·1 Al definir el concepto de temperatura se llegó a la expresión del calor específico: Ce = _!5_
2H
Donde: Ce: calor específico K y H: constantes que dependen de cada sustancia El calor específico depende de las condiciones de presión y temperatura iniciales, por lo que se utiliza el calor específico medio, que corresponde al valor aportado por la unidad de masa, dividido por la diferencia de temperaturas final e inicial. Cem =-Q
t,- ti
En el caso de los gases, hay que distinguir entre el calor específico a volumen cons tante Cv y el calor específico a presión constante Cp. Cp - Cv = R = 1,987 "" 2 cal/mol ºK, donde R es la constante universal de los gases perfectos. Cp/ Cv = y, donde y es el coeficiente de dilatación adiabática. 26
El calor específico a presión constante, Cp, se determina en un calorímetro, haciendo pasar un gas caliente por un tubo sumergido en agua y midiendo la velocidad del gas, la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del calorímetro y la elevación de la temperatura del agua. La determinación experimental del calor específico a volumen constante, Cv, es difícil de realizar en la práctica, por eso se emplea el método de cálculo basado en la ecuación que relaciona este con el calor específico a presión constante, Cp, como se muestra a continuación: Cp X T = Cv X T + P X V
Considerando 1mol de un gas al que se le suministra calor, a presión y volumen constantes, para calentarlo y así elevar su temperatura T, por la ecuación de los gases perfectos, se cumple: P x V = n x R x T, si ( n = 1) - P x V = R x T Sustituyendo en la ecuación anterior: Cp X T = Cv X T + R X T - Cp = Cv + R - R = Cp - Cv
El
x litro 1987207 "" 2 I d R O 082 atmósfera caloría es ' ºK x mol o ' ºK x mol va or e
Por tanto: Cp - Cv "" 2
Una vez medido experimentalmente Cp, se calcula Cv a partir de esta última ecuación.
1.17. RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA DE VAPOR La relación entre la presión y la temperatura de vaporización puede verse en la Figura 1.12. En la Figura 1.12 las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P,7) en las que coexisten las siguientes fases: • En la línea BA coexisten en equilibrio líquido y gas. • En la línea BD coexisten en equilibrio sólido y líquido. • En la línea BC coexisten en equilibrio sólido y gas. El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y gas, y se denomina punto triple. Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termómetros. El punto A indica el valor máximo (PC' TJ en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, y se denomina punto crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se pue-
2?
manual práctico del operador de calderas industriales de licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores que Te y Pe se denominan fluidos supercríticos.
P
Punto crítico
218 Fase líquida Agua
................ ...¡-_ 1
f?- ............:
Fase sólida :
0,006
Hielo . ...............-:.
: ..
.. :.. =
:.. Fase gaseosa =
¡e ¡
Vapor
e
(ºC)
100
Figura 1.12. Diagrama presión-temperatura para el agua.
374
1.18. TABLAS DE TRANSFORMACI ONES DE UNIDADES Y TABLAS DE VAPOR DE AGUA Con el fin de facilitar la resolución de ejemplos prácticos de cambio de unidades, cambios de estado, etc.,se incluyen las tablas siguientes: Tabla 1.10. Conversión de unidades. Longitud
28
m
mm
pulgada
pie
yarda
milla
l
1000
39,3700787
3,2808399
l ,0936133
0,00062137
0,001
l
0,0393701
0,0032808
0,0010936
0,00000062137
0,0254
2544
l
0,08333
0,02777
0,000015782
0,3048
304,8
12
l
0,333
0,00018939
0,9144
914,4
36
3
l
0,00056818
Superficie m2
hectárea
pulgada 2
pie2
yarda2
acre
l
0,0001
l .550,003 l
10,76391
l ,19599
0,000247ll
10000
l
15.500.031
107639,l
0,000ll96
2,4710538
0,00064516
0,0000000645
l
0,006944
0,0007716
0,00000015942
0.09290304
0,0000092903
144
l
O,lll
0,000022957
0,8361274
0,000083613
1296
9
l
0,00020661
4046 ,856
0,4046856
6.272.640
43560
4840
l
Volumen m'
litro
pie3
galón (USA)
galón (GB)
barril petróleo
l
1000
35,3146667
264,17205
219,96923
6,2898l08
0,001
l
0,0353147
0,2641721
0,2199692
0,0062898
0,0283168
28,3168466
l
7,4805195
6,2288349
0,1781076
0,0037854
3,7854ll8
0,1336806
l
0,8326741
0,0238095
0,0045461
4,5460904
0,1635437
l,20095
l
0,028594
1589873
158987295
56145833
42
34,9723128
l
l gal (USA) 3,78541 pie3 l pie' 0,0283 m 3
Presión kPa
atm
mmHg
mH20
psi
bar
l
O,Ol01972
7,5006278
0,1019745
0,1450377
0,01
98,0665
l
735,560217
l000028
14,2233433
0,980665
0,1333222
0,0013595
l
0,0135955
193367
0,0013332
9,8063754
0,0999972
73,5539622
l
l ,4222945
0,0980638
6,5947573
0,070307
51,7150013
0,7030893
l
0,0689476
100
l,0197162
750,062679
10,1974477
14,5037738
l
l pulgada H,O (60 ºF) 0,248843 kPa l pulgada Hg (60 ºF) 3,37685 kPa l atm 101,325 kPa 760 mm Hg l torr (101,325/760) kPa
Tabla 1.10. Conversión de unidades (continuación). Energía (calor y trabajo) kJ
kW x h
hp
h (USA)
l
0,0002777
0,000372506
3.600
l
2.684,5195
h (UK)
kcal
BTU
0,000377673
0,2388459
0,9478171
l,3410221
l,3596216
859,84523
3.412,1416
0,7456999
l
l ,0138697
641,18648
2.544,4336
2.647,7955
0,7354988
0,9863201
l
632,41509
2.509,6259
4,1868
0.001163
0,00155961
0,00158124
l
3,9683207
l,0550559
0,000293071
0,00039301
0,000398466
0,2519958
l
X
l termia 1000 kcal l termia I00.000 Btu l Btu 1055,0558 J l kilogramo fuerza x metro (Kgf x m)
CV X
0,00980665 kJ
Macrounidades de energía Terajulio
Gigavatio x hora
Teracaloría
Tm equivalente de carbón
Tm equivalente de petróleo
Barril petróleo día-año
TJ
GW x h
Tcal
tec
tep
Bd
l
0,2727
0,2388459
34,1208424
23,8845897
0,4955309
3-6
l
0,8598452
122,8350326
85,9845228
l ,7839ll3
4,1868
1,163
l
142,8571429
100
2,0746888
0,0293076
0,008141
0,007
l
0,7
0,0145228
0,041868
O,Oll63
0,01
l,4285714
l
0,0207469
2,0180376
0,560568
0,482
68,8571429
48,2
l
Potencia kW
kcal/h
BTU/h
hp (USA)
l
859,84523
3412,1416
l,3410221
l ,3596216
Tm refrigera c. 0,2843494
0,00ll63
l
3,9683207
0,0015596
0,0015812
0,0003307
0,00029307
0,2519958
l
0,00039301
0,00039847
0,000083335
0,7456999
641,18648
2.544,4336
l
l ,0138697
0,2120393
0,7354988
632,41509
2.509,6259
0,9863201
l
0,2091386
3,5168
3.023,9037
ll .999,82
4,7161065
4,7815173
l
30
CV
(UK)
Conceptos básicos
li
Energía interna Entalpía Entropía Tabla 1.11.Vol=on Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : temperatura) .
'-
específico
kJ/kg
m3/kg Líquido
I•
Temp. ºC
0,01
Vapor
Líquido
kJ/kg
Vapor
Líquido
Vapor
Presión Saturado Saturado Saturado Saturado Saturado Vapor bar
yf X 103
Vg
0,00611 1,0002 206,136
hfg
kJ/kg X ºK Vapor
Líquido
Vapor
Saturado Saturado Saturado
Uf
Ug
hf
hg
Sf
Sg
0,00
2375 ,3
0,01
2501 ,3 2501 ,4 0,0000
9,1562
4
0,00813 1,0001 157,232
16,77
2380,9
16,78
2491 ,9 2508,7
0,0610
9,0514
5
0,00872 1,0001 147,120
20,97
2382 ,3
20,98
2489 ,6 2510,6
0,0761
9,0257
6
0,00935 1,0001 137,734
25,19
2383,6
25,20
2487,2
0,0912
9,0003
8
0,01072 1,0002 120,917
33,59
2386,4
33,60
2482 ,5 2516,1
0,1212 8,9501
10
0,01228 1,0004 106,379
42,00
2389,2
42,01
2477,7
0,1510 8,9008
2512,4 2519,8
11
0,01312 1,0004
99,857
46,20
2390 ,5
46,20
2475,4 2521 ,6 0,1658
8,8765
12
0,01402 1,0005
93,784
50,41
2391 ,9
50,41
2473,0
0,1806
8,8524
2523,4
13
0,01497 1,0007
88,124
54,60
2393,3
54,60
2470 ,7 2525 ,3 0,1953
8,8285
14
0,01598 1,0008
82,848
58,79
2394 ,7
58,80
2468,3
2527,1 0,2099
8,8048
15
0,01705 1,0009
77,926
62,99
2396 ,1
62,99
2465,9 2528,9 0,2245
8,7814
16
0,01818 1,0011
73,333
67,18
2397,4
67,19
2463,6
8.7582
17
0,01938 1,0012
69,044
71,38
2398,8
71,38
2461 ,2 2532,6
0,2535
8,7351
18
0,02064 1,0014
65,038
75,57
2400,2
75,58
2458,8 2534 ,4 0,2679
8,7123
19
0,02198 1,0016 61,293
79,76
2401,6
79,77
2456,5 2536,2
0,2823
8.6897
20
0,02339 1,0018
83,95
2402 ,9
83,96
2454,1 2538,1
0,2966
8,6672
57,791
2530,8 0,2390
21
0,02487 1,0020
54,514
88,14
2404 ,3
88,14
2451,8 2539 ,9 0,3109
8,6450
22
0,02645 1,0022
51,447
92,32
2405 ,7
92,33
2449 ,4 2541 ,7 0,3251
8,6229
23
0,02810 1,0024
48,574
96,51
2407,0
96,52
2447,0
0,3393
8,6011
24
0,02985 1,0027
45,883
100,70 2408,4
100,70 2444 ,7 2545 ,4 0,3534
8,5794
25
0,03169 1,0029
43,360
104,88
2409,8
104,89 2442 ,3 2547,2
0,3674
8,5580
26
0,03363 1,0032
40,994
109,06
2411,1
109,07 2439 ,9 2549,0
0,3814
8,5367
27
0,03567 1,0035
38,774
113,25 2412 ,5
113,25
2550,8
0,3954
8,5156
28
0,03782 1,0037
36,690
117,42
2413,9 11 7,43 2435 ,2 2552,6
0,4093
8,4946
29
0,04008 1,0040
34,733
121,60 2415,2
121,61 2432 ,8 2554 ,S 0,4231
8,4739
30
0,04246 1,0043
32,894
125,78
2416,6
125,79 2430,5 2556 ,3 0,4369
8,4533
31
0,04496 1,0046
31,165
129,96
2418,0
129,97
2428,1 2558,1 0,4507
8,4329
32
0,04759 1,0050
29,540
134,14 2419 ,3
134,15 2425,7 2559 ,9 0,4644
8,4127
33
0,05034 1,0053
28,011
138,32 2420 ,7
138,33
2561,7
0,4781
8,3927
34
0,05324 1,0056
26,571
142,50 2422 ,0 142,50 2421 ,0 2563,5
0,4917
8,3728
35
0,05628 1,0060
25,216
146,67 2423,4
0,5053
8,3531
2437,6
2423,4
146,68 2418,6
2543,5
2565,3
.._
Tabla 1.11. Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : temperatura) (continuación) . 36
0,05947 1,0063
23,940
150,85 2424,7
2567,1 0,5188
8,3336
38
0,06632 1,0071
21,602
159,20 2427,4 159,21 2411,5
2570,7
0,5458
8,2950
40
0,07384 1,0078
19,523
167,56 2430 ,1 167,57 2406,7
2574,3
0,5725
8,2570
45
0,09593 1,0099
15,258
188,44 2436,8
188,45 2394 ,8 2583,2
0,6387
8,1648
50
0,1235
1,0121
12,032
209,32
209,33 2382,7
2592,1 0,7038
8,0763
55
0,1576
1,0146
9,568
230,21 2450,1
230,23
2600,9
0,7679
7,9913
60
0,1994
1,0172
7,671
251,11
2456,6 251,13 2358,5
2609,6 0,8312
7,9096
65
0,2503
1,0199
6,197
272,02
2463,1
2346,2
2618,3 0,8935
7,8310
70
0,3119
1,0228
5,042
292,95
2469 ,6 292,98 2333,8
2626,8 0,9549
7,7553
75
0,3858
1,0259
4,131
313,90 2475 ,9 313,93 232 1,4 2635 ,3 1,0155
7,6824
80
0,4739
1,0291
3,407
334,86
2482,2
7,6122
85
0,5783
1,0325
2,828
355,84
2488,4 355,90 2296 ,0 265 1,9
90
0,7014
1,0360
2,361
376,85
2494,5
376,92
2283,2 2660 ,1 1,1 925 7,479 1
95
0,8455
1.0397
1,982
397,88
2500,6
397,96
2270,2
2668,1
2676 ,1 1.3069 7,3549
2443,5
150,86 2416,2
272,06
2370,7
334,91 2308,8 2643,7
1,0753
1,1343 7,5445 1,2500
7,4159
100
1,014
1,0435
1,673
418,94 2506,5
419,04
2257,0
110
1,433
1,0516
1,210
461,14
2518,1
461,30
2230,2 269 1,5 1,4185 7,2387
120
1,985
1,0603
0,8919
503,50
2529 ,3 503,71 2202 ,6 2706 ,3 1,5276
7,1296
130
2,701
1,0697
0,6685
546,02 2539 ,9 546,31 2174,2 2720 ,5 1,6344
7,0269
140
3,613
1,0797
0,5089
588,74 2550 ,0 589,13 2144,7
150
4,758
1,0905
0,3928 631,68 2559,5
160
6,178
1,1020
0,3071 674,86
170
7,917
1,1143
0,2428 718,33
180
10,02
1,1274
0,1941 762,09
2583,7 763,22
190
12,54
1,1414
0,1565
632,20
2114,3
2568,4
675,55
2082,6
2576,5
719,21 2049,5
806,19 2590,0
807,62
2015,0
2733,9
1,7391 6,9299
2746,5
1,8418 6,8379
2758,1 1, 9427 6,7502 2768,7
2,0419
6,6663
2778,2
2,1396 6,5857
1978,8 2786 ,4 2,2359
6,5079
200
15,54
1,1565 0,1274
850,65 2595 ,3 852,45
1940,7
2793,2
2,3309
6,4323
210
19,06
1,1726
895,53 2599 ,5 897,76
1900,7
2798,5
2,4248
6,3585 6,2861
0,1044
220
23,18
1,1900 0,08619 940,87
2602,4
943,62
1858,5 2802 ,1 2,5178
230
27,95
1,2088 0,07158 986,74
2603,9
990,12
1813,8 2804 ,0 2,6099 6,2 146
240
33,44
1,2291 0,05976 1033,2
2604,0
1037,3
1766,5
2,7015
6,1437
250
39,73
1,25 12 0,05013 1080,4 2602 ,4 1085,4
1716,2 280 1,5 2,7927
6,0730
260
46,88
1,2755 0,04221 1128,4
2599 ,0 1134,4
1662,5
2796,6
2,8838
6,0019
270
54,99
1,3023 0,03564 1177,4
2593,7
1184,5
1605,2
2789,7
2,9751
5,9301
280
64,12
1,3321 0,03017 1227,5 2586,1
1236,0
1543,6 2779,6 3,0668
5,8571
290
74,36
1,3656 0,02557 1278,9 2576,0
1289,1 1477,1 2766 ,2 3,1594
5,7821
300
85,81
1,4036 0,02167 1332,0 2563,0 1344,0
1404,9 2749 ,0 3,2534
5,7045
320
112,7
1,4988 0.01549 1444,6 2525 ,5 1461,5
1238,6 2700 ,1 3,4480
5,5362
340
145,9
1,6379 0,01080 1570,3 2464,6
1027,9
5,3357
32
1594,2
2803,8
2622,0 3,6594
Conceptos básicos
;
Tabla 1.12. Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : presión) . Volumen
Energía ínterna
Entalpía
Entropía
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg X ºK
ffico m3/kg Líquido
Vapor
Líquido
Vapor
Líquido
Vapor
Presión Temp. Saturado Saturado Saturado Saturado Saturado
Vapor
Vapor
Líquido
Vapor
Saturado Saturado Saturado
bar
ºC
vf x l0
0,04
28,96
1,0040
34,800
121,45 2415 ,2
121,46 2432 ,9 2554 ,4 0,4226
8,4746
0,06
36,16
1,0064
23,739
151,53 2425 ,0
151,53 2415 ,9 2567,4
0,5210
8,3304
0,08
41,51
1,0084
18,103
173,87 2432 ,2 173,88 2403,1 2577,0
0,5926
8,2287
0,10
45,81
1,0102
14,674
191,82 2437,9
2584,7
0,6493
8,1502
0,20
60,06
1,0172
7,649
251,38 2456 ,7 251,40
2358,3 2609,7
0,8320
7,9085
0,30
69,10
1,0223
5.229
289,20
2468,4
289,23 2336 ,1 2625 ,3 0,9439
7,7686
0,40
75,87
1,0265
3,993
317,53
2477,0
317,58 2319 ,2 2636 ,8 1,0259
7,6700
0,50
81,33
1,0300
3,240
340,44
2483,9
340,49
7,5939
0,60
85,94
1,0331
2,732
359,79 2489 ,6 359,86
3
Vg
Uf
Ug
hf
hfg
191,83 2392,8
hg
Sf
2305,4 2645 ,9 1,0910 2293,6
2653,5
Sg
1,1453 7,5320
0,70
89,95
1,0360
2,365
376,63 2494,5
376,70
2283,3 2660 ,0
1,1919 7,4797
0,80
93,50
1,0380
2,087
391,58
391,66
2274,1
1,2329
7,4346
0,90
96,71
1,0410
1,869
405,06 2502 ,6 405,15
2265,7 2670 ,9 1,2695
7,3949
1,00
99,63
1,0432
1,694
417,36 2506 ,1 417,46
2258,0
1,50
111,4
1,0528
1,159
466,94
2,00
120,2
1,0605
2,50
127,4
3,00
133,6
3,50 4,00
2498,8
2665,8 2675,5
1,3026
7,3594
467,11 2226,5 2693,6
1,4336
7,2233
0,8857
504,49 2529 ,5 504,70 2201 ,9 2706,7
1,5301
7,1271
1,0672
0,7187
535,10 2537,2
535,37
2181,5 2716 ,9 1,6072
7.0527
1,0732
0,6058
561,15
561,47 2163,8 2725 ,3
1,6718
6,9919
138,9
1,0786
0,5243
583,95 2546 ,9 584,33 2148,1 2732 ,4
1,7275
6,9405
143,6
1,0836
0,4625
604,31
2553,6
604,74
2738,6
1,7766
6,8959
4,50
147,9
1,0882
0,4140
622,25
2557,6
623,25 2120 ,7 2743,9
5,00
151,9
1,0926
0,3749
639,68 2561 ,2 640,23 2108,5
6,00
158,9
1,1006
0,3157
669,90
2519,7
2543,6
2133,8
1,8207
6,8565
2748,7
1,8607
6,8212
2567,4
670,56 2086 ,3 2756,8
1,9312
6,7600
2572,5
697,22 2066 ,3 2763,5
7,00
165,0
1,1080
0,2729
696,44
1,9922
6,7080
8,00
170,4
1,1148
0,2404
720,22 2576 ,8 721,11
2048,0
2769,1 2,0462
6,6628
9.00
175,4
1,1212
0,2150
741,83
2031,1
2773,9
2,0946
6,6226
2580,5
742,83
10,0
179,9
1,1273
0,1944
761,68 2583,6
762,81 2015 ,3 2778,1
2,1387
6,5863
15,0
198,3
1,1539
0,1318
843,16 2594,5
844,84
1947,3 2792 ,2 2,3150
6,4448
20,0
212,4
1,1767 0,09963 906,44 2600 ,3 908,79
1890,7 2799,5 2,4474
6,3409
25,0
224,0
1,1973 0,07998 959,11
1841,0
6,2575
2603,1
962,11
2803,1 2,5547
,
manual práctico del operador de calderas industriales Tabla 1.12. Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : presión) (continuación) . 30,0
233,9
1,2165 0,06668 1004,8 2604,1 1045,4
1795,7
2804 ,2 2,6457
1049,8
1753,7
2803,4
6,1869
35,0
242 ,6 1,2347 0,05707
40,0
250,4
1,2522 0,04978 1082,3 2602 ,3 1087,3
1714,1 2801,4
2,7964
6,0701
45,0
257,5
1,2692 0,04406
1676,4
2798,3
2,8610
6,0199
50,0
264,0
1,2859 0,03944
1147,8 2597,1
1154,2
1640,1 2794,3
2,9202
5,9734
60,0
275,6
1,3187 0,03244
1205,4
2589,7
1213,4
1571,0 2784 ,3 3,0267
5,8892
70,0
285,9
1,3513 0,02737
1257,6 2580,5
1267,0
1505,1 2772,1 3,1211 5,8133
80,0
295,1
1,3842 0,02352
1305,6 2569,8
1316,6
1441,3
3,2068
5,7432
90,0
303,4
1,4178 0,02048 1350,5 2557,8
1363,3
1378,9 2742 ,1 3,2858
5,6772
100
311,1
1,4524 0,01803
1317,1 2724,7
3,3596
5,6141
1116,2
2603,7
1008,4
2600,1
1121,9
1393,0 2544 ,4 1407,6
2758,0
2,7253 6,1253
110
318,2
1,4886 0,01599
1433,7 2529 ,8 1450,1
1255,5 2705 ,6 3,4295
5,5527
120
324,8
1,5267 0,01426
1473,0
1193,6 2684,9
5,4924
130
330,9
1,5671 0,01278
1511,1 2496 ,1 1531,5
140
336,8
1,6107 0,01149
1548,6 2476 ,8 1571,1
1066,5 2637,6
3,6232 5,3717
150
342,2
1,6581 0,01034
1585,6 2455 ,5 1610,5
1000,0 2610,5
3,6848
160
347,4
1,7107 0,009306 1622,7
2431 ,7 1650,1
930,6
2580,6
3,7461 5,2455
170
352,4
1,7702 0,008364 1660,2
2405 ,0 1690,3
856,9
2547,2 3,8079
5,1777
180
357,1
1,8397 0,007489 1698,9 2374,3
1732,0
777,1
2509 ,1 3,8715
5,1044
2513,7
1491,3
3,4962
1130,7 2662 ,2 3,5606 5,4323 5,3098
190
361,5
1,9243 0,006657 1739,9 2338,1
1776,5
688,0
2464,5
3,9388
5,0228
200
365,8
2,036 0,005834 1785,6 2293,0
1826,3
583,4
2409.7
4,0139
4,9269
220,9
374,1
3,155 0,003155 2029,6 2029 ,6 2099 ,3
2099 ,3 4,4298
4,4298
o
•• En esta unidad se hace una visión muy general de conceptos que aparecen en el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre, por el que se aprueba el Regla mento de equipos a presión y sus nstrucciones Técnicas Complementarias), como definiciones y aspectos legislativos referidos a la seguridad de las operaciones que se llevan a cabo en la genera ción de vapor o agua caliente. Además, se proporcionan conceptos generales de las superficies de intercambio calorífico, las for mas de transmisión de calor, los elementos de las calderas pirotubulares y acuotubulares y,la cla sificación de las calderas para facilitar la comprensión en posteriores unidades, donde se analizan con más detalle todos estos conceptos.
Contenidos 2.1.Definiciones 2.2.Conceptos exigibles 2.3.Elementos que incorporan las calderas 2.4.Requisitos de seguridad 2.5.Tipos y partes principales de una caldera 2.6.Superficies de calefacción: superficie de radiación y de convección 2.7.Transmisión de calor en calderas 2.8.Tipos de calderas según su disposición 2.9.
Tipos de calderas según su circulación
2.10.
Tipos de calderas según sus características principales
2.11.
Obtención del carné de operadores industriales de calderas
manual práctico del operador de calderas industriales
2.1. DEFINICIO N ES De acuerdo con el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre), CapítuloI,Artículo 2, además de las definiciones incluidas en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, en el Real Decreto 1495/1991, de 11 de octubre y en el Real Decreto 222/2001,de 2 de marzo, se tendrán en cuenta estas otras definiciones: • Comercialización, la puesta a la venta, la exposición, la venta, la importación, el alquiler, la puesta a disposición o la cesión de equipos a presión o conjuntos en la Unión Europea. • Empresa instaladora de equipos a presión, la persona física o jurídica, que acreditando disponer de los medios adecuados, realiza las instalaciones y asume la responsabilidad de su correcta instalación. • Empresa reparadora de equipos a presión, la persona, física o jurídica que, acreditando disponer de los medios adecuados, realiza las reparaciones y asume la responsabilidad de las mismas. • Fabricante, la persona, física o jurídica, que asume la responsabilidad del diseño y fabricación de un producto con objeto de comercializarlo en su nombre o ponerlo en servicio. • Inspección periódica, examen, reconocimiento, pruebas y ensayos, necesarios para garantizar que se mantienen las condiciones de seguridad y funcionalidad requeridos por este reglamento. • Inspecciones y pruebas en el lugar del emplazamiento, toda inspección anterior a la puesta en servicio o durante la misma de un equipo a presión o instalación. • Instalación, la implantación en el emplazamiento de equipos a presión que cum plen una función operativa, incluidos los ensamblajes de los distintos elementos. • Modificación de equipos a presión, la transformación o cambio de las carac terísticas técnicas originales o de la función principal de un equipo a presión, así como de sus accesorios de seguridad. • Modificación de instalaciones, la transformación de una instalación existente por ampliación, reducción o sustitución de equipos a presión por otros de caracte rísticas diferentes. • Organismo de control autorizado (OCA), entidad pública o privada, con perso nalidad jurídica, que se constituye con la finalidad de verificar el cumplimiento de las condiciones de seguridad de carácter obligatorio de productos e instalaciones industriales, establecidas por los reglamentos de seguridad industrial, mediante actividades de certificación, ensayo, inspección o auditoria y que dispone de au torización de la Administración para efectuar las tareas contempladas en este reglamento, de acuerdo con lo indicado en el Real Decreto 2200/1995, de 28 de diciembre, por el que se
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Generalidades sobre las calderas aprueba el Reglamento de la infraestructura de la calidad y la seguridad industrial.
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• Presión máxima admisible (PS), la presión máxima para la que está diseñado el equipo, especificada por el fabricante. Esta presión es equivalente a la denomina da como presión de diseño en la reglamentación anterior. • Presión de precinto (Pp), la presión a la que está tarado el elemento de seguri dad que protege al equipo a presión. • Presión de prueba (PT), aquella presión a la que se somete el equipo a presión para comprobar su resistencia. Corresponde a la mayor presión efectiva que se ejerce en el punto más alto del aparato durante la prueba de presión. • Presión máxima de servicio (Pms), la presión más alta, en las condiciones de funcionamiento, que puede alcanzar un equipo a presión o instalación. • Puesta en servicio, la puesta en funcionamiento por el usuario de un equipo a presión o instalación, para su primera utilización o después de una reparación, modificación o cambio de emplazamiento. • Reparación, la acción de recomponer las partes sometidas a presión de un equi po, que garantice las características y las condiciones iniciales de fabricación y de funcionamiento. • Temperatura, la magnitud física del nivel térmico de los fluidos en el interior de un equipo a presión, medida en grados Celsius. • Temperatura máxima/mínima de servicio (Tms), la temperatura más alta o más baja que se estima puede producirse en el interior del equipo en condiciones extremas de funcionamiento. • Usuario, la persona física o jurídica que utiliza, bajo su responsabilidad, los equi pos a presión o instalaciones. Nota: ndependientemente de las definiciones contempladas en el Capítulo 1Artículo 2 del Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre), la denominación de equipo a presión para referirse a todo elemento diseñado y fabricado para contener fluidos a presión superior a 0,5 bar. En esta denominación se incluyen todos los elementos que se contemplan en el presente reglamento como aparatos a presión, recipientes a presión simples, equipos a presión, conjuntos, tuberías y equipos a presión transportables. Cuando en el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre), se haga referencia a equipos a presión incluidos en el ámbito de aplicación del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva 97/23 /CE, se indicará de forma expresa.
De acuerdo con el Artículo 2 de la instrucción técnica complementaria ITC EP-1 Cal deras, CapítuloI, sin perjuicio de la terminología que figura en el Artículo 2 del Regla mento de equipos a presión y en la norma UNE 9-001,a los ef ectos de esta ITC se estará a las siguientes definiciones:
• Caldera, todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
• Caldera de vapor, la que utiliza como fluido caloportante o medio de transporte el vapor de agua. • Caldera de agua sobrecalentada, toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110 ºC. • Caldera de agua caliente, toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura igual o inf erior a 110 ºC. • Caldera de fluido térmico, toda caldera en la que el medio de transporte de calor es un líquido distinto del agua. • Caldera automática, caldera que realiza su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo para su puesta inicial en funcionamiento o en el caso de haber actuado alguno de los dispositivos de seguridad que hayan bloqueado la aportación calorífica. • Caldera manual, la que precisa de una acción manual para realizar algunas de las funciones de su ciclo normal de funcionamiento. • Caldera móvil, la que está en servicio mientras se desplaza. • Caldera con emplazamiento variable, aquella que se monta sobre un bastidor para facilitar su cambio de ubicación. • Riesgo ajeno, el que af ecta a viviendas, locales de pública concurrencia, calles, plazas y demás vías públicas y talleres o salas de trabajo ajenas al usuario. • Sala de calderas, local cerrado de uso exclusivo e independiente de otros servi cios, en el que se encuentra instalada la caldera. • Recinto de calderas, espacio protegido por cercado, que podrá ser interior a un local o abierto al exterior. • Caldera de recuperación de lejías negras, caldera de vapor que utiliza como combustible las lejías negras concentradas que se generan en el proceso de fabri cación de pasta de papel al sulfato.
2.2. CONCEPTOS EXIGIBLES En el entorno que se mueve la generación de vapor, la legislación marca una serie de exigencias a los cuatro agentes involucrados en la operación, para que esta sea segura. Dichos agentes son los usuarios, las empresas mantenedoras, el fabricante y la propia caldera.
2.2.1. Obligaciones de los usuarios Según el Reglamento de equipos a presión. Capítulo V, Otras disposiciones: Artículo 9. Obligaciones de los usuarios. Los usuarios de todos los equipos a presión contemplados en este reglamento, deberán:
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a) Conocer y aplicar las disposiciones e instrucciones del fabricante en lo referente a la utilización, medidas de seguridad y mantenimiento.
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b) No poner en servicio la instalación o impedir el funcionamiento de los equipos a presión si no se cumplen los requisitos del presente reglamento. c) Disponer de al menos la siguiente documentación de los equipos a presión mien tras estén instalados: declaración de conformidad, en su caso, instrucciones del fabricante, y si procede, certificado de la instalación, junto con otra documenta ción acreditativa (en su caso, proyecto de la instalación, acta de la última inspec ción periódica, certificaciones de reparaciones o modificaciones de los equipos, así como cualquier otra documentación requerida por la correspondiente instruc ción técnica complementaria (ITC) de este reglamento). En el anexo V de este reglamento, se indican los contenidos mínimos de los documentos necesarios para la acreditación de la instalación, inspecciones periódicas, reparación o mo dificación de los equipos a presión o de los conjuntos. Esta documentación estará a disposición del órgano competente de la Comunidad Autónoma y de las empre sas que efectúen las operaciones de mantenimiento, reparación e inspecciones periódicas. d) Utilizar los equipos a presión dentro de los límites de funcionamiento previstos por el fabricante y retirarlos del servicio si dejan de disponer de los requisitos de seguridad necesarios. e) Realizar el mantenimiento de las instalaciones, equipos a presión, accesorios de seguridad y dispositivos de control de acuerdo con las condiciones de operación y las instrucciones del fabricante, debiendo examinarlos al menos una vez al año. f) Ordenar la realización de las inspecciones periódicas que les correspondan, de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 6 de este reglamento. g) Disponer y mantener al día un registro de los equipos a presión de las categorías Ia V del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o asimilados a dichas categorías según su artículo 3.2, así como de las instalaciones sujetas a este reglamento, excepto los extintores y los equipos que no requieran inspecciones periódicas, incluyendo las fechas de realización de las inspecciones periódicas, así como las modificaciones o reparaciones. h) Ordenar, en su caso, las reparaciones o modificaciones de acuerdo con lo dis puesto en los artículos 7 y 8 de este reglamento. i) Informar de los accidentes que se produzcan, de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 14 del presente reglamento. Artículo 12. Obligaciones de los usuarios. Además de las obligaciones indicadas en el artículo 9 del Reglamento de equipos a presión, en las instalaciones incluidas en la presente ITC, deberán cumplirse estas otras obligaciones: a) Operación de la caldera. El usuario deberá designar a una persona capacitada para realizar la operación de la caldera mientras esté en funcionamiento, cum pliéndose en todo momento lo indicado en el artículo 13 sobre operadores de calderas.
Generalidades sobre las calderas
b) Mantenimiento de la caldera. El usuario deberá realizar un mantenimiento ade cuado de todos los sistemas de la instalación, prestando una dedicación especial a los órganos !imitadores o reguladores para que mantengan su fiabilidad, pro cediendo a la comprobación de su funcionamiento durante las verificaciones. De igual forma, prestará una atención especial con respecto a las obligaciones indi cadas en el artículo 8 de esta ITC sobre el tratamiento del agua de alimentación. c) Vigilancia de la caldera. En caso de que se produzca un fallo de alguno de los ele mentos de control o seguridad, deberá adecuarse el sistema de vigilancia de la caldera, pasando a vigilancia directa, en tanto no se restablezcan las condiciones iniciales y se compruebe el correcto funcionamiento de los elementos averiados. d) Documentación. Deberá disponerse de la siguiente documentación: • Libro de la instalación. El operador de la caldera deberá tener a su disposi ción un libro en el que se indiquen las características de la instalación y las actuaciones, controles o inspecciones realizadas. El libro podrá sustituirse por los correspondientes registros que incluyan una información equivalente. En el anexo IIIde esta ITC, se indica la información mínima que debe incluirse en el libro o registro correspondiente. En el libro o registro se anotarán las operaciones efectuadas para el control de las seguridades. De igual forma, deberán anotarse las comprobaciones del control del agua de alimentación, los posibles fallos de funcionamiento, las inspecciones o controles realizados, así como las reparaciones o modificaciones que puedan realizarse. • Documentación de la instalación. El operador de la caldera dispondrá al menos de la siguiente documentación: - Manual de instrucciones de la caldera. - Manual de instrucciones del equipo de combustión. - Manual de instrucciones del tratamiento de agua. - Relación de elementos y dispositivos de operación o seguridad. - Manual de seguridad del operador, redactado por el propio usuario, que contendrá al menos: o Normativa de seguridad del personal de operación. oInstrucciones de seguridad para situaciones de emergencia. oInstrucciones de seguridad para situaciones de fallo de elementos de control o seguridad. Modificación del sistema de vigilancia de la caldera. oInstrucciones en caso de accidente. oInstrucciones en los períodos de inspecciones, mantenimiento y reparación. Equipo de seguridad requerido. o Prendas de seguridad personal. oInstrucciones para el personal ajeno a la propia caldera. oInstrucciones de primeros auxilios. o Sistema de revisiones del Manual de seguridad.
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- Datos obtenidos en el protocolo de puesta en marcha. - Prescripciones de los niveles de emisiones a la atmósfera. - Dirección del servicio técnico para la asistencia de la caldera y quemador. - Dirección del servicio contra incendios más próximo.
2.2.2. Obligaciones de las empresas instaladoras y reparadoras Las empresas instaladoras y reparadoras de equipos a presión están obligadas a: a) Disponer de la correspondiente inscripción en el órgano competente de la Comu nidad Autónoma correspondiente a su domicilio social. b) Mantener al día los requisitos de inscripción y renovarla antes de su vencimiento, notificando, en su caso, las modificaciones de los datos declarados. c) En caso de realizar actuaciones en otra Comunidad Autónoma, notificar al corres pondiente órgano competente las actuaciones que pretende realizar,acompañan do un certificado de inscripción y no sanción. d) Realizar las instalaciones, reparaciones o inspecciones periódicas de acuerdo con el presente reglamento, emitiendo las correspondientes certificaciones. e) Disponer del correspondiente libro o registro en donde se anoten las actuaciones realizadas, indicando al menos: • Fecha de actuación. • Usuario. • Tipo de actuación. •Identificación o características del equipo o de la instalación.
2.2.3. Condiciones exigibles al fabricante
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Al adquirir una caldera, se deberá exigir al fabricante de esta, que junto a la misma se entregue la siguiente documentación: a) Expediente de control de calidad: • Certificados de calidad de los materiales empleados en las distintas partes so metidas a presión, extendidos por el propio fabricante o por algún laboratorio homologado por la Administración. • Certificado de homologación del proceso de soldadura de la misma. • Certificados de calificación de los soldadores que han intervenido en su fabricación. • Resultado de los ensayos, controles e inspecciones realizados. b) Cuaderno de instrucciones de funcionamiento: • Manual de funcionamiento de la caldera y accesorios. • Manual de funcionamiento del quemador y accesorios. • Manual de mantenimiento y frecuencia de mantenimientos. c) Libro de registro del usuario: con identificación y características del mismo. d) Certificados que han de acompañarse en la solicitud de puesta en servicio.
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Generalidades sobre las calderas
2.2.4. Condiciones exigibles a la caldera a) Que incorpore materiales adecuados y una mano de obra cualificada, acordes con las Reglas de fabricación y el Código de diseño y construcción. b) Que el colector de lodos e impurezas depositados por el agua esté colocado de tal forma que pueda manipularse fuera de la acción del fuego. c) Que la capacidad del agua y del vapor sean suficientes para prevenir las fluctua ciones del vapor y del nivel de agua. d) Debe permitir una constante y total circulación de agua en su interior para man tener la temperatura uniforme en todas sus partes. e) Debe permitir la dilatación de las diversas partes de la misma, con objeto de evi tar tensiones internas inadecuadas, que darían como consecuencia la rotura de la misma. f) Que la resistencia mecánica de sus elementos esté por encima de cualquier de formación justificada. g) Que la cámara de combustión permita que la combustión se inicie y termine den tro del hogar. h) Que las superficies de calefacción estén dispuestas de tal manera que permitan obtener el máximo rendimiento de sus gases de combustión. i) Que todas sus partes y accesorios sean accesibles para su limpieza y manteni miento. j) Que esté proporcionada al trabajo a desarrollar. k) Que esté equipada con los equipos de medición (termómetros, manómetros, etc.), válvulas de seguridad y demás accesorios que permitan el perfecto y seguro fun cionamiento. 1) Que disponga de la correspondiente contraseña de inscripción y registro en el Ministerio deIndustria y Energía.
2.2.5. Condiciones exigibles a los operadores Según el Reglamento de equipos a presión. Capítulo V, Artículo 13, en lo referente a los operadores de calderas debe cumplirse que:
Capacitación del operador La conducción de calderas debe ser confiada a personal capacitado técnicamente. Los operadores de calderas serán instruidos en la conducción de las mismas por el fabrican te, el instalador o por el usuario, si dispone de técnico titulado competente.
Responsabilidades El operador de la caldera es el responsable de vigilar, supervisar y realizar el control del correcto funcionamiento de la caldera, debiendo ser consciente de los peligros que pue-
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de ocasionar una falsa maniobra, así como un mal mantenimiento o una mala conducción. Durante el proceso de arranque de la caldera será obligatorio que esta sea conducida por el operador de la misma, no pudiendo ausentarse hasta que se haya comprobado que el funcionamiento de la caldera es correcto y todos los dispositivos de seguridad, limita dores y controladores funcionan correctamente. Deberá poder actuar de forma inmedia ta, manual o remota, en caso de que se dispare la válvula de seguridad o cualquier otra de las seguridades de la instalación, hasta que se restablezcan las condiciones normales de funcionamiento.
Carné de operador industrial de calderas
a) b) c) d)
Las calderas de la clase segunda, a que se hace referencia en el artículo 3.2 de la pre sente ITC, de vapor o de agua sobrecalentada deberán ser conducidas por personal con carné de operador industrial de calderas. Para la obtención del carné deberá disponerse de conocimientos técnicos adecua dos. Para ello, deberá superarse un curso de capacitación impartido por entidades auto rizadas por el órgano competente de la Comunidad Autónoma. En el anexo IIde esta ITC, se indican los conocimientos mínimos, la duración del curso y los requisitos que deben cumplir las entidades para la impartición de dichos cursos. El carné, que tendrá validez y eficacia para todo el territorio español, será expedido por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, una vez acreditado por el solicitante: Tener cumplidos 18 años. La superación de un curso impartido por una entidad autorizada, que incluya los conocimientos y la duración mínima indicada en el anexo de este capítulo. La superación de un examen realizado por el órgano competente de la comunidad autónoma. En el caso de extranjeros, previo cumplimiento de los requisitos previstos en la normativa española vigente en materia de extranjería e inmigración.
2.3. ELEMENTOS QUE INCORPORAN LAS CALDERAS
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Tratar de hacer una lista exhaustiva con todos los elementos que se incorporan a las calderas resulta una labor difícil dada la gran variedad de calderas disponibles en el mercado, por eso se citan los elementos principales y sus accesorios para tratar de dar una visión general y facilitar la comprensión: a) Hogar, haz vaporizador y calderines. b) Economizadores. c) Precalentadores de aire. d) Calentadores de aire y de agua. e) Sobrecalentadores de vapor. f) Recalentadores de vapor.
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Generalidades sobre las calderas
g) Accesorios adicionales: quemadores, ventiladores, bombas de agua de alimen tación, caballetes y turbinas de agua de alimentación, válvulas de paso, válvulas de retención, válvulas de purga, indicadores de nivel, manómetros, termómetros, presostatos, termostatos, etc.
2.4. R EQUISITOS DE SEGU RIDAD Los requisitos de seguridad pueden resumirse en los artículos 6, 7 y 8 del Reglamento equipos a presión y que se transcriben directamente a continuación.
Artículo 6. Prescripciones de seguridad de la instalación A 1. Prescripciones generales Deberán adoptarse las medidas de seguridad, de rendimiento o medioambientales indicadas en las correspondientes disposiciones específicas. La chimenea de evacuación de los productos de combustión deberá diseñarse según los criterios indicados en la norma UNE 123.001 o en otra norma de reconocido prestigio. El aislamiento de la chimenea solamente será obligatorio para las partes accesibles. Para la ubicación de las calderas, se tendrá en cuenta la clasificación de acuerdo con el artículo 3, considerando la clase de la mayor caldera en ella instalada y con indepen dencia de su número. A2. Condiciones de emplazamiento de las calderas Las calderas deberán situarse en una sala o recinto, que cumpla los siguientes re quisitos: • Ser de dimensiones suficientes para que todas las operaciones de mantenimiento, inspección y control puedan efectuarse en condiciones seguras, debiendo dispo nerse de al menos 1m de distancia a las paredes o cercado. En las zonas donde no existan elementos de seguridad ni se impida el manejo o el mantenimiento, esta distancia podrá reducirse a 0,2 m. • Deberán estar permanentemente ventiladas, con llegada continua de aire tanto para su renovación como para la combustión, y cumplir con los requisitos espe cíficos en relación con el combustible empleado. Si la sala o recinto de calderas linda con el exterior (patios, solares, etc.), deberá disponer de unas aberturas en su parte inferior para entrada de aire, distantes como máximo a 20 cm del suelo, y en la parte superior, en posición opuesta a las anteriores, unas aberturas para salida de aire. La sección mínima total de las aberturas, en ambos casos, vendrá dada por la siguiente expresión S = Qt/0,58, siendo S la sección neta de ventila ción requerida, expresada en cm2 y Qt la potencia calorífica total instalada de los equipos de combustión o de la fuente de calor, expresada en kW. No se admitirán valores de S menores de 0,5 m2 para las salas con calderas de la clase segunda, ni menores de 0,1m2 para las salas con calderas de la clase primera.
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• En el caso de locales aislados, sin posibilidad de llegada de aire por circulación natural, se dispondrán llegadas de aire canalizadas, con un caudal mínimo de 2,5 Nm3/hora por kW de potencia total calorífica instalada en los equipos de combus tión. Las calderas que como fuente de energía no utilicen la combustión podrán reducir la ventilación de la sala a la mitad. • Toda sala o recinto de calderas deberá estar totalmente limpia y libre de polvo, gases o vapores inflamables. • En la sala o recinto de calderas se prohíbe todo trabajo no relacionado con los aparatos contenidos en la misma, y en todos los accesos existirá un cartel con la prohibición expresa de entrada de personal ajeno al servicio de las calderas. • Solo podrán instalarse los elementos correspondientes a sus servicios, no permi tiéndose el almacenamiento de productos, con la excepción del depósito nodriza del combustible y los necesarios para el servicio de la caldera. • Deberá disponerse del manual de funcionamiento de las calderas allí instaladas y de los procedimientos de actuación en caso de activación de las seguridades. • En lugar fácilmente visible de la sala o recinto de calderas, se colocará un cuadro con las instrucciones para casos de emergencia. AJ. Condiciones de emplazamiento de las calderas de clase primera. Las calderas de la clase primera podrán estar situadas en un recinto, pero el espacio necesario para los servicios de mantenimiento e inspección se encontrará debidamente delimitada por una cerca metálica de 1,20 m de altura, con el fin de impedir el acceso de personal ajeno al servicio de las mismas. Para las calderas de vapor o de agua so brecalentada cuyo Pms x VT = 10.000, la distancia mínima que deberá existir entre la caldera y el riesgo ajeno será de 5 m. Alternativamente, podrá disponerse de un muro de protección con la resistencia indicada en el apartado 4.b.2 del presente artículo. La dis tancia mínima señalada se entiende desde la superficie exterior de las partes a presión de la caldera más cercana al riesgo y dicho riesgo. A4. Condiciones de emplazamiento para calderas de clase segunda. a) Estas calderas deben estar situadas dentro de una sala con dos salidas de fácil acceso situadas, cada una de ellas, en muros diferentes. En caso de que las distancias a los riesgos propios y ajenos sean mayores de 10 y 14 m, respectiva mente, no será necesario disponer de muro de protección. b) Los muros de protección de la sala deberán cumplir las siguientes condiciones: b.l. La altura alcanzará, como mínimo, un metro por encima de la parte más alta sometida a la presión de la caldera. b.2. Se realizarán de hormigón armado con un espesor mínimo de 20 cm y con al menos 60 kilogramos de acero y 300 kilogramos de cemento por metro cúbico. En cualquier caso, podrán utilizarse muros con un momento flector equivalente. c) Las aberturas en los muros de protección deberán cumplir las siguientes condi ciones:
Generalidades sobre las calderas
c.l. Las puertas serán metálicas, con unas dimensiones máximas de 1,60 m de an cho por 2,50 m de alto. Pueden incorporar rejillas en celosía para ventilación. c.2. Las dimensiones mínimas de al menos uno de los accesos deberán ser tales que permitan el paso de los equipos y elementos accesorios a la caldera (tales como quemadores, bombas, etc.), debiéndose respetar un mínimo de 0,80 m de ancho por 2 m de alto. c.3. Las puertas de las salas de calderas deberán abrirse en el sentido de la salida de la sala y estarán provistas de dispositivo de fácil apertura desde el interior. c.4. Toda abertura de medidas superiores a 1,60 m de ancho y 2,50 m de alto estará cerrada mediante paneles, desmontables o no, uno de los cuales po drá estar provisto de una puertecilla libre, hábil para el servicio. Los paneles ofrecerán una resistencia igual a la del muro en que estén instalados, resis tencia que será debidamente justificada. c.5. Las aberturas de los muros de protección destinadas a ventanas estarán situadas a un metro, como mínimo, sobre el punto más alto sometido a la presión de la caldera. c.6. Toda puerta o abertura de ventilación situada frente a un quemador, conte niendo el eje del mismo, dispondrá de una protección eficaz con un módulo resistente de 250 cm3, con el fin de poder resistir el posible impacto de aquél en caso de accidente. d) El techo de la sala deberá cumplir las siguientes condiciones d.l. La altura de los techos no será nunca inf erior a los 3 m sobre el nivel del suelo y deberá rebasar en un metro, como mínimo, la cota del punto más alto entre los sometidos a presión de la caldera y, al menos, a 1,80 m sobre las plataformas de la caldera, si existen. d.2. El techo del recinto será de construcción ligera (fibrocemento, plástico, etc.), con una superficie mínima del 25 % del total de la sala y no tendrá encima pisos habitables o locales de pública concurrencia; solamente podrán auto rizarse las superestructuras que soporten aparatos ajenos a las calderas, que se consideren formando parte de la instalación, tales como depuradoras de agua de alimentación, desgasificadores, etc., entendiéndose que dichos aparatos no podrán instalarse sobre la superficie ocupada por la caldera. A5. Condiciones específicas para las calderas de fluido térmico Las calderas de fluido térmico deberán cumplir los requisitos de instalación de la norma UNE 9-310, o cualquier otra norma equivalente. Así mismo, podrá utilizarse cual quier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndose en este caso acompañar un informe favorable de un organismo de control autorizado. Las calderas de fluido tér mico de la clase segunda podrán instalarse en un local independiente o al aire libre, no siendo necesario cumplir los requisitos del anterior apartado A4.
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Artículo 7. Sistemas de vigilancia de las calderas Las calderas incluidas en el ámbito de aplicación de la presente ITC dispondrán del siste ma de vigilancia indicado por el fabricante en las instrucciones de funcionamiento. El operador de la caldera deberá realizar las comprobaciones adecuadas de los con troles, elementos de seguridad y de la calidad del agua de alimentación para asegurarse del buen estado de la caldera. El sistema de vigilancia cumplirá los siguientes requisitos: a) Vigilancia directa El operador de la caldera debe asegurar su presencia en la sala de calderas o en la sala con repetición de las señales de las seguridades, para poder actuar de forma inmediata en caso de anomalía. En dicho local, debe existir un pulsador de emergencia que pare inmediatamente el sistema de aporte calorífico de forma segura y que active los sistemas de disipación de energía que hayan sido diseñados. Si el fabricante no ha indicado instrucciones para la vigilancia de la caldera, se con siderará como de vigilancia directa. b) Vigilancia indirecta Los intervalos de comprobación de los sistemas de control y seguridad para que el funcionamiento de la instalación sea seguro serán indicados por el fabricante de la caldera. El sistema de vigilancia de la caldera estará relacionado con los dispositivos de control de los que disponga. En las calderas que, de acuerdo con las instrucciones de funcionamiento del fabri cante, puedan funcionar de forma automática, sin presencia del personal de conducción en la sala de calderas, el operador deberá realizar comprobaciones funcionales para asegurar la operatividad de sus sistemas de control y seguridad. Se consideran adecua dos los sistemas de control y seguridad indicados en las normas UNE-EN 12953 y 12952 o cualquier otra norma equivalente que pueda utilizar el fabricante. En caso de fallo de controles o seguridades se requerirá la utilización de las instruc ciones de emergencia, debiéndose pasar a vigilancia directa hasta la subsanación de la anomalía.
Artículo 8. Agua de alimentación y agua de la caldera
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Para todas las calderas de vapor y de agua sobrecalentada deberá existir un tratamiento de agua eficiente que asegure la calidad de la misma, así como de un régimen adecuado de controles, purgas y extracciones. Se considera adecuado el indicado en las normas UNE-EN 12953-10 y 12952-12. Así mismo, podrá utilizarse cualquier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndo se en este caso acompañar un informe favorable de un organismo de control autorizado. Será obligación del usuario mantener el agua de las calderas, como mínimo, dentro de las especificaciones de las normas citadas en el párrafo anterior.
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Generalidades sobre las calderas
A estos efectos, el usuario realizará o hará realizar los análisis pertinentes y, si es necesario, instalará el sistema de depuración que le indique el fabricante, una empresa especializada en tratamiento de agua, o el diseñador de la instalación.
2.5. TIPOS Y PARTES PRINCIPALES DE UNA CALDERA Los distintos tipos de calderas empleados en la industria, se pueden dividir en cuatro grandes grupos en función del fluido caloportador que utilizan: a) Calderas de vapor (es el tipo que más se emplea en la industria). b) Calderas de agua caliente. c) Calderas de agua sobrecalentada. d) Calderas de fluido térmico. Toda caldera debe disponer de una superficie total de absorción de calor capaz de transmitir la máxima cantidad de calor suministrada por el combustible al fluido calopor tante con el máximo rendimiento y al menor coste posible. Por tanto, cada uno de los ele mentos implicados en la transferencia calorífica debe ser proporcionado a los restantes, haciendo que la caldera sea un conjunto equilibrado. Las partes que intervienen en el proceso de transferencia calorífica son: • Envolventes y superficie de calefacción. • Hogar (cámara donde tiene lugar la combustión). • Quemador (equipo para quemar el combustible). • Ventiladores (equipo que proporciona el aire para la combustión al quemador). • Equipos para la eliminación de los residuos de combustión, en calderas de com- bustible sólido. • Elementos de recogida y transporte de cenizas, en calderas de combustible sólido. • Separadores de vapor (domos), en calderas acuotubulares. • Sistema de suministro de agua de alimentación. • Sistemas de purga. • Cimentaciones y soportes. • Refractarios, en calderas pirotubulares. • Precalentamiento del agua de alimentación y del aire de combustión, para ahorro de energía. • Accesorios (válvulas, niveles, etc.). Las Figuras 2.1y 2.2 muestran, respectivamente, una caldera de vapor pirotubular en su conjunto y cómo son los elementos que la componen en su interior. La Figura 2.3 muestra, respectivamente, una caldera acuotubular (arriba) y el es quema de una caldera acuotubular de postcombustión, formando parte de una planta de cogeneración en ciclo combinado con turbina de contrapresión empleando gas natural como combustible (abajo).
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Figura 2.1. Caldera pirotubular.
Figura 2.2. Detalle de una caldera pirotubular.
Generalidades sobre las calderas
Planta de cogeneración en ciclo combinado
Turbina de gas
Caldera acuotubular
Turbina de vapor 340 'C
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Figura 2.3. Caldera acuotubular (arriba) y esquema de planta de cogeneración
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2.6. SUPER FICIES DE CALEFACCIÓ N: SUPER FICIE DE RADIACIÓ N Y DE CO NVECCIÓ N Se denomina superficie de calefacción de una caldera a la superficie de intercambio de calor que está en contacto con la fuente de calor y con el fluido caloportador. Dependiendo de la posición relativa en el hogar respecto a la llama esta superficie puede ser:
Superficie de radiación La superficie de radiación de una caldera es la superficie que está en contacto con la llama y con los productos de combustión. A efectos de cálculo, se tomará como superficie de radiación: • En calderas acuotubulares, el valor correspondiente a la superficie proyectada por las paredes del hogar. • En calderas pirotubulares de cámara húmeda, las superficies proyectadas del ho gar,envolvente de la cámara del hogar y placa trasera de dicha cámara del hogar. • En calderas pirotubulares de cámara seca, la superficie proyectada del hogar. • En calderas pirotubulares de cámara semiseca, las superficies proyectadas del hogar y envolvente de la cámara del hogar. • En calderas de tipo móvil, la superficie proyectada del hogar. • En calderas verticales, las superficies proyectadas del hogar y de los tubos pantalla.
Superficie de convección La superficie de convección de una caldera es toda la superficie de calefacción que está en contacto con los gases de combustión o fluidos aportadores de calor, que se suelen colocar fuera del hogar.
2.7. TRA NS MISIÓ N DE CALO R EN CALDERAS En las calderas, el calor que se cede al fluido caloportante se obtiene: • Por combustión de combustibles gaseosos, líquidos o sólidos. • De fluidos calientes procedentes de un proceso industrial. • De energía eléctrica. • Por un proceso de fisión nuclear del uranio. • De biocombustibles y de energías reciclables (energía solar, viento, mareas, geotermia, etc.). La transmisión de calor en la caldera, desde la fuente de calor al fluido caloportante se realiza por radiación, convección, conducción o por los tres sistemas
simultáneamente. En toda caldera hay que distinguir la superficie de calefacción directa y la indirecta.
Superficie de calefacción directa La superficie de calefacción directa está formada por todas aquellas superficies que por un lado están en contacto con la llama, con los productos de la combustión o de los fluidos calientes portadores de calor,y por otro, con el fluido caloportante contenido en la caldera. En la superficie de calefacción directa hay dos zonas, la de radiación y la de convección. Teniendo en cuenta que el calor transmitido por radiación es proporcional a la cuar ta potencia de la diferencia de temperaturas entre la zona caliente (llama y gases de combustión) y la zona fría (fluido caloportador), el flujo de calor (cantidad de calor trans mitido por unidad de superficie) es muy elevado, por lo que es necesario tener especial cuidado con el cálculo y diseño de esta superficie para evitar problemas derivados de las elevadas oscilaciones térmicas a la que se ve sometida, procurando además que por la parte del agua esté libre de residuos e incrustaciones, para facilitar la transmisión de calor al agua y evitar que el acero alcance temperaturas superiores a las de diseño.
Superficie de calefacción indirecta La superficie de calefacción indirecta está formada por las superficies de la caldera que estando en contacto, por una cara, con el fluido caloportante de la caldera, por la otra cara no están en contacto con los fluidos calientes del sistema de aporte de calor. Como la transmisión se produce principalmente por convección, esta superficie se denomina de convección y normalmente suele estar fuera del hogar. El calor transmitido por convección viene dado por: Q = h X S X /H m Siendo: Q: cantidad de calor transmitido h: coeficiente de transmisión de calor por convección 5: superficie de calefacción !J.Tm: temperatura media de la diferencia de temperatura entre la zona de aporte de calor y la zona del fluido caloportante de la caldera. De esta ecuación se deduce que la cantidad de calor cedido se puede aumentar por: a) Aumento de la superficie de calefacción. b) Aumento de la diferencia media de temperaturas. c) Aumento del coeficiente h. Este coeficiente depende de varios factores, pero el más importante es el de la velocidad del fluido caliente, de forma que al
52
aumen tar esta velocidad, aumenta la cantidad de calor transmitido. Este coeficiente h baja si hay depósitos o incrustaciones de hollín en alguna de las dos caras de la superficie de calefacción.
57
manual práctico del operador de calderas industriales
2.8. TIPOS DE CALDERAS SEGÚN SU DISPOSICIÓN Las normas UNE 9002 y 9003 presentan los diversos criterios de clasificación para las calderas de vapor y calderas de agua sobrecalentada, respectivamente. Atendiendo a la disposición de los fluidos • Calderas de tubos de agua (acuotubulares). • Calderas de tubos de humo (pirotubulares). Atendiendo a la disposición de los tubos de las calderas • Calderas de tubos horizontales. • Calderas de tubos inclinados. • Calderas de tubos verticales. Atendiendo a la disposición del hogar respecto a la caldera • Calderas de hogar interior. • Calderas de hogar exterior. Atendiendo a la implantación de la caldera • Calderas estacionarias o terrestres. • Calderas móviles (locomotoras, marinas).
2.9. TIPOS DE CALDERAS SEGÚN SU CIRCULACIÓN Los tipos de calderas según su circulación son las siguientes: • Calderas de circulación natural (el fluido se mueve dentro de la caldera libremen te). • Calderas de circulación asistida (circulación parcialmente controlada del fluido térmico). • Calderas de circulación forzada (el fluido se mueve forzado totalmente dentro de la caldera).
2.10. TIPOS DE CALDERAS SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Los criterios de clasificación adoptados por las normas UNE 9.002 V 9.003, relativas, res pectivamente, a calderas de vapor y calderas de agua sobrecalentada son los siguientes: A. Criterios de clasificación comunes a ambas calderas:
A.l. Según la disposición de los fluidos:
Generalidades sobrelas calderas
a) Calderas de tubos de agua (acuotubulares). b) Calderas de tubos de humo (pirotubulares).
manual práctico del operador de calderas industriales
A.2. Según la transmisión del calor: a) Calderas de convección. b) Calderas de radiación. c) Calderas de radiación y convección. A.3. Según el combustible utilizado: a) Calderas de carbón (parrilla mecánica o carbón pulverizado). b) Calderas de combustibles líquidos (gasóleo). c) Calderas de combustibles gaseosos (propano, gas natural). d) Calderas de combustibles especiales (bagazo, residuos de madera). e) Calderas de recuperación de calor de gases (con o sin aporte de combustible). A.4. Según el tiro: a) Calderas de hogar presurizado. b) Calderas de hogar equilibrado. A.5. Según el sistema de apoyo empleado: a) Calderas apoyadas (sobre una cimentación). b) Calderas suspendidas (sobre soporte o estructura). A.6. Según el lugar de montaje: a) Calderas montadas en taller o fábrica. b) Calderas montadas in situ (en su propia ubicación). A.7. Según su implantación: a) Calderas terrestres (ubicadas en fábricas, hospitales, etc.). b) Calderas marinas (ubicadas en barcos). A.8. Según su ubicación: a) Calderas a la intemperie. b) Calderas protegidas contra la intemperie. A.9. Según su operación: a) Calderas automáticas (con encendido automático). b) Calderas semiautomáticas (automáticas con encendido manual). c) Calderas manuales. B. Criterios de clasificación para calderas de vapor B.l. Según la circulación de los fluidos: a) Calderas de circulación natural. b) Calderas de circulación asistida. c) Calderas de circulación forzada. B.2. Según la presión de trabajo: a) Calderas subcríticas (presión inferior a 218 kg/cm2): • De baja presión, P 20 kg/cm2 • De media presión, 20 P 64 kg/cm2 • De alta presión, 64 kg/cm2 < P < 218 kg/cm2 b) Calderas supercríticas (presión superior a 218 kg/cm2).
Generalidades sobre las calderas
B.3.
B.4.
B.5.
B.6.
B.7.
Según el sistema de vaporización: • Calderas de vaporización lenta. • Calderas de vaporización rápida. Según su uso: • Calderas fijas. • Calderas semifijas. • Calderas locomotoras. Según la fuente de calor. • Calderas para combustibles: sólidos, líquidos y gaseosos. • Calderas mixtas (pueden quemar varios combustibles). • Calderas de recuperación de calor. • Calderas eléctricas. Según la forma en que fluyan los gases de la combustión: • Calderas de paso directo. • Calderas de retorno. Según el medio caloportador: • Calderas de vapor. • Calderas de agua caliente. • Calderas de agua sobrecalentada. • Calderas de fluido térmico.
2.11. OBTENCIÓN DEL CARNÉ DE OPERADORES INDUSTRIALES DE CALDERAS Tal como se indica en el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre) es preceptiva para los operadores de calderas la obtención del carné de operador de acuerdo con el temario que se indica a continuación: A.Para la obtención del carné de operador industrial de calderas, deberán acreditar se los siguientes conocimientos: A.l. Conceptos básicos: a) Presión, su medida y unidades. b) Presión atmosférica. c) Temperatura, medida y unidades. d) Cambios de estado, vaporización y condensación. e) Transmisión del calor: radiación, convección y conducción. f) Vapor de agua saturado, sobrecalentado y recalentado, expansionado. g) Volúmenes específicos de vapor. h) Calor específico. i) Relación entre la presión y la temperatura del vapor. A.2. Generalidades sobre calderas: a) Definiciones. 55
b) c) d) e)
Condiciones exigibles. Elementos que incorporan. Requisitos de seguridad. Partes principales de una caldera. f) Superficie de calefacción: superficie de radiación y de convección. g) Transmisión de calor en calderas. h) Tipos de calderas según su disposición. i) Tipos de calderas según su circulación. j) Clasificación de calderas según sus características principales. A.3. Combustión: a) Tiro natural y forzado. b) Hogares en depresión y sobrepresión. c) Proceso de la combustión. Volúmenes teóricos de aire y humos. d) Chimeneas. A.4. Disposiciones generales constructivas en calderas pirotubulares: a) Hogares. Lisos y ondulados. b) Cámaras de hogar. c) Tubos. Tirantes y pasadores. d) Fijación de tubos a las placas tubulares. e) Atirantado. Barras tirantes, virotillos, cartelas. f) Cajas de humos. g) Puertas de registro: hombre, cabeza, mano y expansión de gases. A.5. Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares: a) Hogar. b) Haz vaporizador. c) Colectores. d) Tambores y domos. e) Fijación de tubos a tambores y colectores. f) Puertas de registro y expansión de gases. g) Economizadores. h) Calentadores de aire. i) Sobrecalentadores. j) Recalentadores. k) Calderas verticales. Tubos Field. Tubos pantalla para llamas. 1) Calderas de vaporización instantánea. Serpentines. A.6. Accesorios y elementos adicionales para calderas: a) Válvulas de paso. Asiento y compuerta. b) Válvulas de retención. Asiento, clapeta y disco. c) Válvulas de seguridad.
d) Válvulas de descarga rápida.
manual práctico del operador de calderas industriales
e) Válvulas de purga continua. f)Indicadores de nivel. Grifos y columna. g) Controles de nivel por flotador y por electrodos. h) Limitadores de nivel termostático. i) Bombas de agua de alimentación. j) Inyectores de agua. k) Caballetes y turbinas para agua de alimentación. 1) Manómetros y termómetros. m) Presostatos y termostatos. n) Tipos de quemadores. o) Elementos del equipo de combustión. A.7. Tratamiento de agua para calderas: a) Características del agua para calderas. b) Descalcificadores y desmineralizadores. c) Desgasificación térmica y por aditivos. d) Regularización del pH. e) Recuperación de condensados. f) Régimen de purgas a realizar. A.8. Conducción de calderas y su mantenimiento: a) Primera puesta en marcha: inspecciones. b) Puesta en servicio. c) Puesta fuera de servicio. d) Causas que hacen aumentar o disminuir la presión. e) Causas que hacen descender bruscamente el nivel. f) Comunicación o incomunicación de una caldera con otras. g) Mantenimiento de calderas. h) Conservación en paro prolongado. A.9. Reglamento de equipos a presión e ITC EP-1: a) Parte relativa a calderas, economizadores, sobrecalentadores y recalentadores. b) Realización de pruebas hidráulicas. c) Partes diarios de operación. B.Los cursos de capacitación para la obtención del carné tendrán una duración mí nima de 50 horas. C.Las entidades que pretendan realizar cursos de capacitación deberán acreditar ante el órgano competente de la comunidad autónoma, al menos, los siguientes requisitos: a) Disponer de los recursos humanos necesarios para la impartición de los cur sos. Deberá indicarse el nombre del responsable técnico de los cursos, con indicación de su titulación y experiencia. b) Disponer de los recursos técnicos y materiales adecuados. Material didácti co disponible, descripción de la ubicación y características de las aulas, etc.
5?
manual práctico del operador de calderas industriales
c) Disponer de experiencia en la impartición de cursos para formación profe sional o similar,con especial referencia de los relacionados con el carné de operador de calderas. d) Metodología de la enseñanza con indicación de la organización de la misma y sistemas de evaluación previstos. e) Alumnado máximo por curso.
58
•• En esta unidad se presentan las bases teóricas de la combustión, necesarias para entender bien el proceso de generación de vapor o agua caliente que se produce en la caldera, así como los elemen tos de medida y control de la combustión, para conocer y optimizar bien el proceso. Además, se incide en la definición de tiro, referido a la presurización o depresión en el hogar de la caldera, para terminar con una visión general de los quemadores y de las chimeneas, mostrando su influencia en el proceso de la combustión.
Contenidos 3.1.Combustión: definiciones, gases formados 3.2.Analizadores de gases de combustión 3.3.Tiro natural y tiro forzado 3.4.Tipos de hogares 3.5.Quemadores: ideas generales 3.6.Control de la combustión: tipos de control 3.7.Chimeneas 3.8.Tablas de parámetros de la combustión completa del gas natural
manual práctico del operador de calderas industriales
3.1. CO M BUSTIÓ N: D EFINICIO N ES, GASES FO R MADOS El proceso de combustión es una reacción de oxidación que tiene lugar entre un combus tible y el oxígeno del aire (comburente), con liberación de calor, como se muestra en la Figura 3.1. Proceso de combustión Combustible
Comburente
e
+
H,
+
s
+
Otros
+
Humos
Cantidad de calor
o,
e>
co,
+
33 MJ/kg
Y, O,
e>
H20
+
142 MJ/kg
o,
e>
S02
+
165 MJ/kg
o,
e>
N2 + NOX +...
Figura 3.1. Proceso de combustión.
Los combustibles están formados básicamente por C (carbono), H (hidrógeno), S (azufre) y pequeñas cantidades de otros elementos. La combustión requiere un volumen teórico mínimo de oxígeno (de aire), de acuerdo con la estequiometría de la reacción de combustión, que se denomina volumen teórico de aire ( V/
Pero en las condiciones reales, para garantizar una combustión completa es preciso suministrar aire en exceso respecto al teórico, denominado exceso de aire, que varía en función de: a) Composición, propiedades y condiciones del combustible durante la combustión. b) Método por el que se quema el combustible (lecho fijo, lecho fluidificado, etc.). c) Disposición y dimensiones de la parrilla (combustibles sólidos) o cámara de combustión. d) Temperatura admisible de los materiales del hogar. e) Grado de homogeneidad de mezcla del aire con el combustible. La relación porcentual entre el volumen teórico (V0) y el volumen real de aire introdu cido ( VJ se denomina coeficiente de exceso de aire (n), y viene dado por la siguiente expresión:
60
T-
.•
.....-:,-,
Combustión
Ejemplo 3.1.
1111
Calcula el volumen teórico de aire requerido para quemar 1 Nm" de gas natural y el coeficiente de exceso de aire en una combustión con un exceso de aire del 20 %. Solución Teniendo en cuenta que 1 mol de gas en condiciones normales ocupa 22,4 litros y que la reacción de combustión del gas natural (CH+) con el oxígeno del aire es:
Por cada mol de CH+ son necesarios 2 moles de o., es decir, que por cada 1 Nm" de gas natural se requieren 2 Nm" de oxígeno (2.000 litros). Como el aire está constituido por un 21 % de o. y un 79 % de N 2, en volumen, la cantidad estequiométrica o teórica de aire requerida es: V 0
= 2·000 = 9.524 litros de 0,21
aire
Como el exceso de aire es del 20 %, el volumen real de aire VR es: VR
= v;, X [1 + 1 0 ] -
VR
= 9.524 X 1,20 = 11.429 litros de aire
Con un cierto exceso de aire se consigue que la combustión sea completa, pero trae como consecuencia una reducción de la temperatura de la combustión, que a su vez reduce la transmisión de calor por radiación, aumentando las pérdidas de calor por la chimenea y generando un volumen de gases de combustión mayor por la misma. Por estas razones hay que trabajar con el menor exceso de aire posible sin que se produzcan inquemados (hollín) y así optimizar el rendimiento de la combustión de la caldera. Para controlar este exceso de aire se emplean analizadores de combustión, que mi den los porcentajes de 02 y de C02 en los humos. Cuanto mayor es el
61
manual práctico del operador de calderas industriales porcentaje de 02 , mayor es el exceso de aire, y cuanto mayor es el porcentaje de C02, menor es el exceso de aire. No es posible recomendar unos valores idóneos de C02 o de 02 de los gases de la combustión, pues su valor depende del tipo de combustible, tipo de hogar, tipo de quemador, etc., y hay que obtenerlos de forma empírica mediante pruebas para que el rendimiento de combustión en la caldera sea lo mayor posible. Unos valores típicos de exceso de aire se muestran en la Tabla 3.1.
60
Tabla 3.1. Valores típicos de excesos de aire. Combustible
Exceso de aire (%)
CO,(%)
Gaseoso
5-15
10-8
Líquido
15-25
14- 12
Carbón
30-50
17- 13
Biomasa (madera)
40-70
16-ll
En condiciones reales se trabaja siempre con exceso de aire y a pesar de ello la combustión nunca llega a ser completa, siendo los gases de salida por la chimenea más habituales: a) Dióxido de carbono cor b) Monóxido de carbono CO. c) Carbono sin quemar (hollín). d) Vapor de agua. e) Oxígeno sin consumir. f) Nitrógeno y sus derivados NOx. g) Óxidos de azufre (S02 , SO/ Para conocer el exceso de aire con el que trabaja una caldera en función de las con centraciones de oxígeno y de C02 de los humos que dan los analizadores de combustión existen fórmulas empíricas tales como:
n=-
3,76 X % 02
-------
1-% (02 -4,76
X
% 02
3.2. ANALIZADORES DE GASES DE COMBUSTIÓN Para realizar el estudio de la combustión a través del análisis de los gases e inquemados de la misma, se emplean unos equipos denominados analizadores de gases. Los antiguos analizadores estaban basados en el análisis químico de una muestra de los humos, tomada por succión a través de un orificio practicado en la chimenea. Los más modernos, basados en fenómenos ópticos, pueden analizar los gases a su paso por la chimenea, proporcionando los valores de las concentraciones de los mismos e incluso y además valores de su temperatura y el rendimiento de la combustión en una pantalla.
3.2.1. Medición del C02, 02 y opacidad
63
El equipo antiguo emplea el método ORSAT de medida volumétrica efectuando la absor ción de la muestra de gas por medio de una solución química que actúa como indicadora de la concentración del gas analizado. El sistema consta de dos equipos, uno para la
62
medición del 02 y otro para la medición del C02 , además de una bomba para el análisis del negro de humo de los gases con una escala de Bacharach para calcular el nivel de pérdidas por inquemados, como muestra la Figura 3.2.
Figura 3.2. Analizador de la combustión antiguo.
El análisis de ennegrecimiento y opacidad de los gases de combustión solo tiene sen tido cuando se trabaja con combustibles sólidos o líquidos. Para la toma de la muestra se emplean bombas de succión, haciendo pasar la muestra a través de un papel filtro especial, en el papel se forma una mancha circular, cuyo color puede variar del negro al blanco, la tonalidad está relacionada con la cantidad de inquemados sólidos contenida en los humos. La mancha obtenida se compara con una serie de manchas patrón que cons tituyen la escala de Bacharach (Tabla 3.2) que actúan de testigos numerados (escalas) y que son de intensidad creciente. Además, existe la escala de Ringelmann, pero se emplea para el control de la contaminación atmosférica. Tabla 3.2. Escala del índice de Bacharach. N. º de Bacharach
Características de la combustión
l
Excelente. Hollín prácticamente nulo.
2
Buena. Hollín presente en valores muy reducidos.
3
Mediana. Hollín presente en cantidad que requiere una limpieza anual.
4
Pobre. El humo empieza a ser visible y se aprecia un ensuciamiento rápido.
5
Muy pobre. La cantidad de hollín hace necesarias varias limpiezas anuales.
manual práctico del operador de calderas industriales
3.2.2. Medición del CO La medición del CO en los humos está particularmente indicada en los combustibles ga seosos, ya que a simple vista es imposible detectarlo, como ocurre en los combustibles líquidos y sólidos, donde la presencia de inquemados es visible por la aparición de humos negros; en cambio en los gaseosos, el único signo es la tonalidad de la llama, criterio un tanto subjetivo y nada fiable. Para medir la concentración de CO se empleaban métodos basados en la oxidación y coloración química. Se hace una toma de muestra de humos, que se introduce en un tubo que contiene una sustancia que al reaccionar se oscurece en una longitud que es proporcional al contenido de CO en la muestra. En la actualidad, para analizar los gases a su paso por la chimenea se emplean sondas acopladas a elementos electrónicos, que permiten medir las concentraciones de cada gas de los humos, e incluso simultáneamente valores de la temperatura, ofreciendo en una pantalla el rendimiento de la combustión. Un ejemplo de estos medidores actuales se muestra en la Figura 3.3.
Figura 3.3. Analizador de la combustión moderno.
Combustión
3.3. TIRO NATURAL Y TIRO FORZADO El tiro, en general, es la facilidad o dificultad para conducir los humos desde el interior de la caldera hacia el exterior.
3.3.1. Tiro nat ural La depresión que se origina en la parte baja de la chimenea, por la diferencia de presio nes creadas por los humos contenidos en la misma y la columna de aire exterior, igual altura que la chimenea ( H), está causada por la menor densidad de los humos calientes y la densidad del aire ambiente, que es más frío. Como la presión exterior ( P) es mayor que la que hay interior en la base de la chime nea (P), los humos experimentan un empuje que tiende a evacuarlos en sentido ascen dente por la chimenea; este empuje se conoce como tiro natural (Figura 3.4).
Figura 3.4. Tiro natural.
La diferencia (Pe _ P) es la debida a la diferencia de pesos entre la columna de los gases calientes que forman el circuito de los humos y una columna de aire exterior de igual altura. Este tiro natural, así definido, depende principalmente de la altura de la chimenea y por tanto es mayor cuanto mayor es su altura (H).
3.3.2. Tiro forzado Cuando el tiro natural no es suficiente para sacar los humos del interior de la cámara de combustión y evacuarlos al exterior, por cuestiones constructivas o por pérdida de carga de los humos en el circuito, se recurre a ventiladores centrífugos (soplantes), en distin65
tas posiciones relativas respecto de la caldera, según las necesidades y que dan origen a distintos tipos de tiros y crean distintas condiciones de presión en el hogar, como se muestra en la Figura 3.5. Hogar en sobrepresión
Hogar equlllbrado
Hogar en depresión
(
Aire Venliladot
Ventilador Tiro forzado
Tiro inducido
Tiro compensado
Figura 3.5. Diferentes tipos de tiros.
3.4. TIPOS DE HOGARES Los hogares son de distintos tipos en función de las condiciones de presión que se aca ban de citar; estos se pueden observar en la Figura 3.5.
3.4.1. Hogares en sobrepresión El aporte de aire necesario para la combustión, mediante un ventilador centrífugo, que impulsa el aire hasta la cámara de combustión, hace que la presión en el hogar sea supe rior a la presión atmosférica, es decir, hace que el hogar esté en sobrepresión.
3.4.2. Hogares en depresión Cuando el ventilador centrífugo se coloca aspirando los humos del hogar impulsándolos hacia la chimenea, también se facilita la extracción de los mismos. Se dice que el hogar está en depresión, al ser la presión inferior a la presión atmosf érica.
3.4.3. Hogares equilibrados Son una combinación de los dos anteriores que hace que los dos ventiladores instalados consigan que la presión en el hogar sea la atmosférica o ligeramente inferior.
3.5. QUEMADORES: IDEAS GENERALES
El quemador es el elemento encargado de mezclar el combustible y el comburente de forma homogénea y alcanzar en cada instante un exceso de aire tal, que la combustión sea completa, con el menor residual posible de oxígeno en los humos.
Combustión
Funciones del quemador • Aportar aire y combustible a la cámara de combustión en las condiciones requeridas. • Mezclar el aire y el combustible de forma homogénea. • Encender y hacer que progrese la combustión de la mezcla aire-combustible. • Desplazar los productos de la combustión por la cámara de combustión.
Requerimientos mínimos del quemador • • • • •
Estar adaptada la cámara de combustión al conjunto de la caldera. Tener margen de regulación para suministrar lo requerido por el proceso. Estabilidad de funcionamiento para las distintas demandas. Que los inyectores tengan control sobre la forma y dimensiones de la llama. Disponer de sistemas de seguridad adaptados al proceso.
3.6. CONTROL DE LA COMBUSTIÓN:TIPOS DE CONTROL Para diseñar un buen control de la combustión es preciso definir claramente cuáles son los objetivos que se buscan con el control: • Optimizar el consumo de combustible, minimizando las pérdidas de calor e inque mados en los humos. • Asegurar que la generación de calor y la demanda requerida por el sistema están equilibradas. • Mantener el funcionamiento en condiciones seguras.
3.6.1. Rendimiento de la combustión El rendimiento de la combustión es el cociente entre el calor aprovechado (poder calorí fico inferior menos las pérdidas) y el calor aportado por el combustible (poder calorífico inferior), expresando el resultado en porcentaje. Pero además del poder calorífico inferior, en todos los combustibles se define tam bién el poder calorífico superior,que a diferencia del primero se mide experimentalmente en un calorímetro. En una combustión real, los humos, normalmente, salen a temperaturas superiores a 100 ºC y por tanto el vapor de agua, que se forma en la combustión, sale en forma de vapor con los humos, mientras que en el ensayo en el calorímetro el agua de la com bustión se condensa; por esta razón, la diferencia entre ambos es el calor latente de vaporización del agua formada en la combustión. Habitualmente, el rendimiento r¡ suele referirse al PCI y viene dado por la expresión: 11
_
[
PCI - Pérdidas ] x 100 º'
67
manual práctico del operador de calderas .,PCI industriales
68
'0
Las pérdidas son de tres tipos: a) Pérdidas por calor sensible de los humos (P1), que son función de la temperatura y del caudal de humos (este caudal se calcula a partir del contenido de oxígeno de los humos). b) Pérdidas por inquemados (P), que se calculan por la expresión: P
= mquemados
21 x ( [CO] 21- [QJ 3.100
+
[hidrocarburos] 1.000
+
Opacidad ) % 65
Donde: [02 ]: concentración de oxígeno en los humos en % [CO ]: concentración de monóxido de carbono en los humos en ppm [Hidrocarburos ]: concentración de hidrocarburos en los humos en ppm Opacidad: valor relativo referido a un patrón y se mide en % c) Pérdidas fijas (P), pérdidas por radiación y otras pérdidas, que se suelen dar to mando como base la potencia de la instalación. Varían entre el 2 % y el 5 % del PCL Si se representan gráficamente estas pérdidas ('Y/), en función del exceso de aire (n) introducido en el hogar,se da lugar a dos curvas y una recta, la de las pérdidas por inquemados, las debidas al exceso de aire y las pérdidas fijas, respectivamente, y sumando las tres se obtiene la curva resultante, cuyo mínimo es el punto óptimo de máximo rendimiento (Figura 3.6).
11 (%)
P6rdlda por lnq
Pérdidas fijas (P3)
marlos ( P)
n (%)
----------------------Figura 3.6. Rendimiento de la combustión en función del exceso de aire.
-T-
.•
manual práctico del operador de calderas industriales
.....-:,-,
1111
Ejemplo 3.2.
A continuación se muestran dos ejemplos de cálculo de rendimiento de la combustión
El análisis de los humos de una caldera que quema gas natural aportó los siguientes resultados: • Porcentaje de O• en los humos 8% • Temperatura de salida de humos 260 ºC • Temperatura ambiente 20 °C • Concentración de CO en los humos 1.500 ppm • Concentración de hidrocarburos en los 1.200 ppm humos 5% • Opacidad Calcular el rendimiento de la instalación considerando unas pérdidas fijas del S %. Solución: • Pérdidas debidas al calor sensible de los humos: de acuerdo con la tabla para el gas natural.
Para 8 % de o. y 240 (260 - 20) ºC las pérdidas son: 14,7 % (véanse tablas del apartado 3.8) pi = 14,7 % • Pérdidas por inquemados: Aplicando la fórmula de pérdidas por inquemados son:
=
p inqumuzdos
=
!!._ X [ 1.500 + 1.200 + .!?.._] % 21 - 8
P, 1,62 X (0,48 + 1,2 + 0,08) • Pérdidas fijas:
3.100
1.000
65
= 2,85 %
p =3%
El• rendimiento de la combustión es:
=
=
11 100 - 14,7 - 2,85 - S 79,45 % En las grandes instalaciones es interesante optimizar el rendimiento, ya que esto supone importantes ahorros de combustible, tal como se muestra en el Ejemplo S.S.
-T-
1111
Ejemplo 3.3.
El análisis de los humos de un horno que quema gas natural dio como resultado los
Combustión siguientes datos: • Porcentaje de O• en los humos • Temperatura de salida de humos • Temperatura ambiente
8%
260 ºC 20 °C
1.500 ppm 1.200 ppm
• Concentración de CO en los humos • Concentración de hidrocarburos en los humos • Opacidad
5%
Calcular el rendimiento de la instalación considerando unas pérdidas fijas del 3 %. Solución: El rendimiento de la instalación ya calculado en el ejemplo anterior es 79,45 %. Para mejorar el rendimiento se instala un control de la combustión multivariable y un economizador. Los datos esperados en los humos, después de las mejoras, son:
• Porcentaje de o. en los humos 1,0 % • Temperatura de salida de humos 160 ºC • Temperatura ambiente 20 °C • Concentración de CO lOO ppm • Concentración de hidrocarburos 50 ppm • Opacidad O% • Pérdidas fijas 3% El nuevo rendimiento es: • Pérdidas debidas al calor sensible de los humos: De acuerdo con la tabla para el gas natural: Para 1,0 % de o. y 140 (160 - 20) ºC las pérdidas son: 5,9 % (véanse tablas del apartado 3.8) pi = 5,9 % • Pérdidas por inquemados: Aplicando la fórmula de las pérdidas por inquemados:
=
P. inqumuulas
21 X 21 - 1,0
3.100
P.= 1,11 X (0,03 + 0,05 + 0,00) = 0,09 %
+
1.000
+ Q ] 65
%
• Pérdidas fijas:
P,= 3 % El nuevo rendimiento de la combustión es:
=
=
fJ 100 - 5,9 -0,09 - 3 91,01 % La mejora porcentual del rendimiento es: 91,01 - 79,45 79,45
= 14,55 %
Si la instalación tiene un consumo anual de 5.000.000 kW x h/año a un precio de 0,05 €/kW x h, el ahorro es: 5.000.000 kW x h/año x 0,05 €/kW x h x 0,1455 36.375 €/año. Si la inversión necesaria para las mejoras es 50.000 €, el retorno (pay-back simple) de la inversión es:
=
70
b
ray- a
k
= 50.000 = 1,37 anos _ 36.375
? 71
3.6.2. Quemadores y su control Los quemadores suelen clasificarse por el tipo de regulación que llevan a cabo.
Regulación a una marcha Suele emplearse en el caso de pequeñas potencias, con una unión mecánica entre las líneas de combustible y aire comburente. La regulación del combustible se efectúa con una electroválvula y es una regulación TODO-NADA.
Regulación a dos marchas Cuando la regulación del combustible a quemar se hace con dos llamas, se requieren dos electroválvulas.
Regulación progresiva Cuando la regulación del combustible tiene lugar entre dos puntos, se requiere un módu lo de control, que permite posicionar la válvula de admisión de combustible en un valor mínimo o en un valor máximo.
Regulación modulante Es igual que la anterior, pero en este caso la válvula de entrada de combustible dispone de un posicionador,que permite trabajar en cualquier posición intermedia del rango en tre los valores máximo y mínimo.
Otras regulaciones Hay casos en que no es suficiente una regulación del tipo de las descritas anteriormente, precisándose regulaciones más complejas, para lo cual se crea una señal neumática o eléctrica, para controlar la demanda de combustible, que sirve de elemento intermedio con los elementos finales de control. El control puede hacerse de varias formas: • Control serie: la señal de demanda se suele introducir en la línea del aire y las va riaciones de caudal de aire se envían al lazo de regulación de la válvula de control que controla la dosificación de combustible. La señal de respuesta es muy lenta. • Control serie/paralelo: la señal de demanda se introduce en la línea del aire en la línea de combustible y se controla mediante un relé. La señal de respuesta es algo más rápida que la anterior. • Control serie/paralelo con selectores cruzados: la señal de demanda se in troduce también a las dos líneas (aire y combustible) pero con dos reguladores independientes, mediante dos relés, uno de máxima y otro de
mínima, que además intercambian la información sobre el caudal de la otra línea.
• Control multivariable: es muy parecido al control anterior,pero además se intro duce una nueva señal con la composición de los humos. Se consigue combustión próxima al rendimiento óptimo de la combustión. • Existe también el control manual, para pequeños generadores de calor con combustibles sólidos o líquidos (está prohibido para combustibles gaseosos). Los generadores de control manual deben disponer de un mecanismo que corte au tomáticamente la aportación de combustible y cuando se sobrepasen los límites de temperatura máxima de servicio, nivel mínimo de agua y presión mínima de servicio se acciona una alarma acústica.
3.7. CHIMENEAS La chimenea es el tubo de escape de los gases de combustión. Esta puede ser de mam postería o metálica y sus alturas varían de acuerdo con las características de las calderas y con las disposiciones de contaminación atmosférica legales vigentes. Las chimeneas se diseñan altas cuando se trata de conseguir la máxima dispersión de los humos de escape o chimeneas bajas cuando el único objetivo es expulsar dichos humos fuera de la caldera. La Figura 3.7 muestra un ejemplo de chimenea de un proceso industrial.
Figura 3.7. Disposición de chimeneas de calderas en una instalación industrial.
Los elementos fundamentales para definir una chimenea son los siguientes: a) Sección interior: sección útil de paso de los gases. b) Altura: para conseguir una buena dispersión de gases en la atmósfera libre. c) Tipo de material estructural externo. d) Tipo de material de revestimiento interior que mantenga la resistencia a la tem peratura y al ataque físico-químico de los gases. Para dimensionar la sección correcta de la chimenea se tiene en cuenta también la potencia calorífica de la caldera, el tipo de combustible, la presión atmosférica, la tem peratura ambiente y la pérdida de carga. Las pérdidas de carga se minimizan evitando los tramos horizontales y los cambios bruscos de dirección. Las dos magnitudes más importantes para el cálculo son la sección de paso de los humos por la chimenea y la altura (esta depende de la legislación medioambiental). Para un caudal másico Q (kg/s), una temperatura TH (ºC) y una velocidad (v "' 10 m/s) para los humos, la sección de paso y el diámetro de la chimenea vienen dados por: Sección =
Q
vX
273 + TH x --p0 273
4 X Q X (273 + T,.) D =Jr X 273 X V X p0 Siendo p0 la densidad de los humos en condiciones normales, kg/Nm3 = 1,3 kg/Nm3• La altura de la chimenea está condicionada por la velocidad mínima de evacuación de los humos en la coronación de la chimenea, que suele venir fijada por la normativa correspondiente de la Administración Pública del lugar.A modo de orientación, puede de cirse que las velocidades medias deberían oscilar entre 5 y 15 m/s. Una velocidad media de 10 m/s suele considerarse como adecuada.
3.8. TABLAS DE PARÁMETROS DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA DEL GAS NATURAL Para facilitar los cálculos de los ejemplos de cálculo de rendimiento de combustión se incluyen las tablas de los parámetros fundamentales de la combustión del gas natural.
" ' \ J
3
Parámetros de la combustión completa del gas natural (1 de 2)
.. c
Q)
:>
e
Composición del gas natural (en Nm 3/Nm3) (CH4:0,86, C2H6 :0,076, C3H8 :0,024, C4H10:0,0l, N,:0,03)
.
Gases en los humos º/o
0,0
. ..
Aire
co2+so, N, ll,98
, "O
Humos
Q)\
(kg'Nm3) 02
Q )
n
88,02 l ,00
kg'Nm3 Nm3/Nm3 13,40
10,37
co, so,
H2 0
o,
N,
(Nm3/Nm3) Secos Húmedos Secos Húmedos
2,21 0,00 l,68 0,00 I0,33 12,54
14,23
9,39
l l ,48
kg'Nm3
Entalpía M
N
1,239 0,265 0,0000293
o,-r
o·
o a.
,
ID-
o
"O
0,5
l l ,69
87,81 l ,02
13,69
10,60
2,21 0,00 l ,68 0,07 I0,56 12,84
14,52
9,62
ll,71
1,240 0,264 0,0000291
1,0
ll,40
87,60 l ,05
14,0l
10,84
2,21 0,00 l,68 0,14 I0,80 13,15
14,83
9,86
ll,95
1,241 0,264 0,0000289
.. .
1,5
ll,ll
87,39 l ,07
14,33
10,09
2,21 0,00 l ,68 0,22 ll,05 13,48
15,16
10,ll
12,21
1,242 0,263 0,0000287
a o
2,0
10,83
87,17 l,IO
14,68
ll,36
2,21 0,00 l ,68 0,30 ll,32 13,82
15,51
I0,38
12,47
1,243 0,263 0.0000285
2,5
10,54
86,96 l,12
15,04
ll,64
2,21 0,00 l,68 0,38 ll,60 14,19
15,87
I0,66
12,76
1,244 0,262 0,0000283
3,0
10,25
86,75 l,15
15,43
ll,94
16,26
10,96
13,06
l.245 0,262 0,0000281
16,66
ll,28
13,37
l.246 0,261 0,0000279
ID Q)
.
...a. ID
o
Q )
, a.
...
3,5
9,97
86,53 l ,18 15,83
12,26
2,21 0,00 l,68 0,47 l l , 14,57 89 2,21 0,00 l,68 0,56 12,20 14,98
4,0
9,68
86,32 l ,21
16,26
12,59
2,21 0,00 l.68 0,66 12,54 15,41
17,09
ll,61
13,71
1,247 0,261 0,0000277
(/) ,-r
4,5
9,39
86,ll l ,25
16,72
12,94
2,21 0,00 l.68 0,77 12,89 15,86
17,55
ll,97
14,06
1,248 0,260 0,0000275
íñ
5,0
9,ll
85,89 l ,28
17,21
13,32
2,21 0,00 l ,68 0,88 13,26 16,35
18,03
12,34
14,44
1,249 0,260 0,0000273
5,5
8,82
85,68 l ,32
17,72
13,72
2,21 0,00 l ,68 l ,00 13,66 16,87
18,55
12,74
14,84
1,250 0.259 0,0000271
6,0
8,53
85,47 1.36
18,27
14,15
2,21 0,00 l ,68 l,13 14,08 17,42
19,10
13,17
15,27
1,251 0,259 0,0000269
6,5
8,25
85,25 l ,41
18,86
14,60
2,21 0,00 l ,68 l ,27 14,54 18,0l
19,69
13,63
15,73
1,252 0,258 0,0000267
ID Q) (/)
5· a. e
ar ... (/)
7,0
7,96
85,04 1,46
19,50
15,09
2,21 0,00 1,68 1,41 15,02 18,64
20,33
14,12
16,22
1,253 0,258 0,0000265
7,5
7,67
84,83 1,51
20,18
15,62
2,21 0,00 1.68 1,57 15,54 19,32
21,01
14,65
16,75
1,254 0,257 0,0000263
8,0
7,38
84,62 1,56
20,91
16.19
2,21 0,00 1,68 1,74 16,11 20,06
21,74
15,22
17,31
1,256 0,257 0,0000261
8,5
7,10
84,40 1,62
21,70
16,80
2,21 0,00 1,68 1,92 16,72 20,85
22 ,53
15,84
17,93
1,257 0,256 0,0000258
9,0
6,81
84,19 1,68
22,56
17,46
2,21 0,00 1,68 2,12 17,38 21,71
23,39
16,50
18,60
1,258 0,256 0,0000256
9,5
6,52
83,98 1,75
23,50
18,19
24,33
17,23
19,32
1,259 0,255 0,0000254
10,0
6,24
83,76 1,83
24,52
18,98
2,21 0,00 1,68 2,34 18,1 22,64 0 2,21 0,00 1,68 2,57 18,88 23,66
25,35
18,02
20,11
1,260
10,5
5,95
83,55 1,91
25,64
19,84
2,21 0,00 1,68 2,83 19,74 24,78
26,47
18,89
20,98
1,261 0,254 0,0000250
11,0
5,66
83,34 2,01 26,88
20,80
2,21 0,00 1,68 3,12 20,69 26,01
27,70
19,85
21,94
1,262
0,253 0,0000247
11,5
5,38
83,12 2,11
28,23
21,85
2,21 0,00 1,68 3,43 21,73 27,38
29,06
20,91
23,00
1,264
0,253 0,0000245
12,0
5,09
82,91 2,22
29,75
23,03
2.21 0,00 1,68 3,79 22,90 28,90
30,58
22,08
24,18
1,265 0,252 0,0000243
12,5
4,80
82,70 2,35
31,45
24,34
2,21 0,00 1,68 4,18 24,21 30,59
32,28
23,40
25,50
1,266 0,252 0,0000240
13,0
4,52
82,48 2,49
33,37
25,83
2,21 0,00 1,68 4,62 25,68 32,51
34,19
24,89
26,99
1,267 0,251 0,0000238
13,5
4,23
82,27 2,65
35,54
27,51
2,21 0,00 1,68 5,13 27,35 34,68
36,37
26,58
28,67
1,268 0,251 0,0000236
14,0
3,94
82,06 2,84
38,03
29,44
2,21 0,00 1,68 5,70 29,26 37,18
38,86
28,51
30,61
1,270 0,250 0,0000233
14,5
3,65
81,85 3,05
40,91
31,67
2,21 0,00 1,68 6,37 31,48 40,06
41,74
30,75
32,85
1,271 0,249 0,0000231
15,0
3,37
81,63 3,31
44,29
34,28
2,21 0,00 1,68 7,15 34,07 43,43
45,12
33,37
35,47
1,272 0,249 0,0000229
0.254 0,0000252
C')
o 3 (j e (/)
[!l
"'\J 01
l
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"'\J
en
3
Parámetros de la combustión completa del gas natural (2 de 2)
Q)
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e,
Composición del gas natural (en Nm3/Nm3) (CH4 :0,86, C2H6 :0,076, C3H8:0,024, C4H10:0,01, N 2 :0,03) 02
(%)
co2 (%)
Aire Exceso
Gases
Q )
. ..
"O
Pérdidas en gases de combustión (%) en función de: (Temperatura gases -Temperatura ambiente) (°C)
Q)\
o
o o·
,
-
r
Por uno
kg/Nm 3
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
0,00 ll,97
l ,00
14,32
4,0
4,9
5,7
6,5
7,4
8,2
9,1
9,9
10,8
ll,6
12,5
13,4
14,2
15,l
16,0
16,9
,ID-
0,50 l l ,68
l ,02
14,52
4,1
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5,8
6,7
7,5
8,4
9,2
10,l
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15,4
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14,83
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5,1
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13,0
13,9
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15,7
16,6
17,5
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13,5
14,5
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17,3
18,2
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13,87
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ll ,O
ll,9
12,9
13,8
14,8
15,7
16,7
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l ,15
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9,3
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12,2
13,l
14,l
15,l
16,l
17,l
18,0
19,0
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9,96
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16,66
4,7
5,6
6,6
7,6
8,5
9,5
10,5
ll,5
12,5
13,5
14,4
15,4
16,4
17,5
18,5
19,5
,-r
4,00
9,68
l,21
17,09
4,8
5,8
6,8
7,7
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9,7
10,7
ll,7
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17,9
18,9
19,9
íñ
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9,37
l ,24
17,54
4,9
5,9
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13,4
14,5
15,5
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19,9
20,9
5,50
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l ,32
18,55
5,2
6,2
7,3
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I0,5
ll,6
13,7
13,8
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16,0
17,l
18,2
19,3
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6,00
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12,3
13,4
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5,6
6,8
7,9
9,1
10,3
11,4
12,6
13,8
15,0
16,2
17,4
18,6
19,8
21,0
22,2
23,4
7,50
7,67
1,50
21,00
5,8
7,0
8,2
9,4
10,6
11,8
13,0
14,2
15,5
16,7
17,9
19,1 20,4
21,6
22,9
24,1
8,00
7,38
1,56
21,73
6,0
7,2
8,5
9,7
10,9
12,2
13,4
14,7
16,0
17,2
18,5
19,8
21,1
22,3
23,6
24,9
8,50
7,09
1,62
22,53
6,2
7,5
8,8
10,0
11,3
12,6
13,9
15,2
16,5
17,8
19,1 20,4
21,8
23,1
24,4
25,8
9,00
6,81
1,68
23,39
6,4
7,8
9,1
10,4
11,7
13,1
14,4
15,7
17,1
18,5
19,8
21,2
22,6
23,9
25,3
26,7
9,50
6,52
1,75
24,32
6,7
8,1
9,4
10,8 12,2
13,6
14,9
16,3
17,7
19,1
20,6
22,0
23,4
24,8
26,3
27,7
10,00 6,23
1,83
23,34
7,0
8,4
9,8
11,2
12,7
14,1
15,5
17,0
18,4
19,9
21,4
22,8
24,3
25,8
27,3
28,8
10,50 5,95
1,91
26,46
7,2
8,7
10,2
11,7
13,2
14,7
16,2
17,7
19,2
20,7
22,3
23,8
25,3
26,9
28,4
30,0
11,00 5,66
2,00
27,69
7,6
9,1
10,7
12,2
13,8
15,3
16,9
18,5
20,1
21,7
23,3
24,9
26,5
28,1
29,7
31,3
11,50 5,37
2,10
29,06
7,9
9,5
11,2
12,8
14,4
16,1
17,7
19,4
21,0
22,7
24,3
26,0
27,7
29,4
31,1
32,8
12,00 5,08
2,22
30,57
8,3
10,0
11,7
13,4
15,1
16,9
18,6
20,3
22,1
23,8
25,6
27,3
29,1
30,8
32,6
34,4
12,50 4,80
2,34
32,27
8,8
10,6
12,3
14,1
15,9
17,8
19,6
21,4
23,2
25,1
26,9
28,8
30,6
32,5
34,3
36,2
13,00 4,51
2,49
34,19
9,3
11,2
13,0
14,9
16,9
18,8
20,7
22,6
24,5
26,5
28,4
30,4
32,4
34,3
36,3
38,3
13,50 4,22
2,65
36,36
9,8
11,8
13,8
15,9
17,9
19,9
21,9
24,0
26,0
28,1
30,2
32,2
34,3
36,4
38,5
40,6
14,00 3,94
2,83
38,86
10,5
12,6
14,8
16,9
19,1 21,2
23,4
25,6
27,8
30,0
32,2
34,4
36,6
38,8
41,0
43,3
14,50 3,65
3,03
41,74
11,2
13,5
15,8
18,1 20,4
22,7
25,1
27,0
29,7
32,1
34,5
36,8
39,2
41,6
44,0
46,4
15,00 3,36
3,30
45,11
12,1
14,6
17,1
19.5
24,5
27,0
29,6
32,1 34,6
37,1
39,7
42,3
44,8
47,7
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C')
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••
Una vez vistas unas nociones generales sobre calderas, esta unidad muestra más en profundidad, lo que es una caldera pirotubular, incidiendo en las partes de que consta y en algunos ejemplos de las fases constructivas reales de la fabricación de una caldera pirotubular. Esto permite al lector un conocimiento más profundo de la caldera con la que va a trabajar,consi guiendo así una óptima y segura operación.
Contenidos 4.1.Definición y principio de funcionamiento 4.2.Partes de una caldera pirotubular
manual práctico del operador de calderas industriales
4.1. DEFINICIÓ N Y PRIN CIPIO DE FU N CIO N A MIENTO Una caldera pirotubular es un recipiente metálico, comúnmente de acero, de forma ci líndrica o semicilíndrica, atravesado por grupos de tubos, por cuyo interior circulan los gases de combustión, que ceden el calor al agua que baña el exterior de los mismos. Los humos calientes procedentes del tubo hogar pasan por los tubos pasadores, cambiando de sentido en la cámara de hogar y en la caja de humos delantera hasta salir por la chimenea. A través de este recorrido ceden gran parte de su calor al agua que los envuelve, vaporizándose una parte, que se acumula en la parte superior del cuerpo de presión en forma de vapor saturado. Esta vaporización del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y que se visualiza en el manómetro. Todos estos procesos ocurren tal y como se muestran en la Figura 4.1. Vapor
Figura 4.1. Sección de una caldera pirotubular.
La resistencia de los materiales limita su tamaño (sus dimensiones llegan a ser 5 m de diámetro y 10 m de largo), pudiendo llegar a producir vapor sobrecalentado hasta 25 Tm/h a 450 ºC y 25 kg/cm2 , con rendimientos de combustión en torno al 90 %. También limita su tamaño el peligro, en caso de explosión o ruptura, por el gran volumen de agua almacenada. Pueden trabajar con todo tipo de combustible (sólido, líquido o gaseoso). Estas calderas presentan ciertas ventajas frente a las acuotubulares: 80
Disposiciones generales constructivas en calderas • Capacidadpirotubulares de soportar fluctuaciones de cargas bruscas, con ligeras variaciones en la presión, debido a la gran cantidad de agua almacenada.
81
• Bajo coste inicial. • Bajo coste de mantenimiento. • Simplicidad en la instalación, que solo exige la cimentación y el interconexionado de la caldera.
4.2. PARTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR Los elementos fundamentales de los que consta una caldera pirotubular se muestran en la Figura 4.2.
Carcasa exterior (1) \
'·
Caja de humos (6)
'. \
\
Tubo del hogar (3)
°'
H a z tubular (5) Placa tubular (2)
Figura 4.2. Elementos fundamentales de una caldera pirotubular.
A continuación se analizan cada una de las partes de la caldera que aparecen en la figura anterior:
Carcasa exterior o virola (1) Es la envolvente de la caldera, que es de forma cilíndrica y está calorifugada para evitar pérdidas de calor y por seguridad.
Placas tubulares (2) Son las placas laterales de la caldera que junto con la carcasa exterior forman el cuerpo de presión. Tanto la placa delantera como la trasera van soldadas a la carcasa exterior.
Tubo de hogar (3) Es el recinto donde tiene lugar la combustión, y por ello es el elemento principal de la caldera. Los tubos de hogar adoptan dos formas, lisos con anillos de dilatación o bien ondulados, para absorber los efectos de la dilatación. Es la parte más importante y más delicada de la caldera; de su forma geométrica de pende que pueda realizarse una buena formación de llama. Además, por estar sometido a la acción de la llama y a una elevada temperatura, es necesario dotarle de la resistencia y dilatabilidad necesarias para que cumpla con las normas de seguridad correspondientes. Los hogares suelen ser de forma circular, soportados entre la placa frontal de la cal dera y la placa delantera de la cámara de hogar.Se diseñan de forma cilíndrica alargada para que sea envolvente de la llama, debiendo ser su longitud superior a la de la llama, para que la combustión se complete en su interior. Existen dos tipos de hogar: a) Hogar liso: es un cilindro de pared lisa cuya dilatabilidad se obtiene conforman do en sus extremos una forma ondulada o añadiendo en su pared intermedia una o más ondas de dilatación (Figura 4.3).
Figura 4.3. Fase de construcción de una caldera pirotubular.
No se permite que el espesor sea superior a 22 mm, para que la temperatura de la chapa no supere valores determinados a la calidad del material empleado en su construcción. Y pueden llevar anillos rigidizadores para aumentar su resistencia. b) Hogar ondulado: es también un cilindro en el que su generatriz sigue una curva sinuosa en forma de ondas de diversos tipos (Figura 4.4).
Figura 4.4. Detalle de un hogar ondulado y frontal de tubos de humos de una caldera pirotubular.
Con esta disposición se logra la dilatabilidad y rigidez necesaria, aunque en de terminados casos de condiciones extremas de servicio de la caldera, pueden in cluirse rigidizadores circulares similares a los indicados para hogares lisos. En las revisiones periódicas que deben realizarse a los hogares es muy importan te controlar la corrosión y el ovalamiento.
Cámara de hogar (4) Es el elemento que recibe los humos procedentes del tubo hogar. Las elevadas tempera turas a las que se encuentra es un factor importante de diseño a tener en cuenta para que haya una adecuada refrigeración. Dependiendo de su diseño y en función de cómo esté refrigerada por el agua, la cámara de la caldera se denomina: • De cámara seca: si la cámara del hogar no está refrigerada. 83
• De cámara semi-seca: si la cámara del hogar está parcialmente refrigerada. • De cámara húmeda: si la cámara del hogar está totalmente refrigerada.
Disposiciones generales constructivas en calderas pirotubulares
Haz tubular (5): tubos pasadores y tubos tirantes En principio todos los tubos tienen la misión de pasar los gases de la combustión de una caja de humos a otra, por ello reciben el nombre de tubos pasadores y van unidos a las placas tubulares de forma simple (soldados o mandrilados) para asegurar la estanqueidad. Como las placas tubulares suelen estar conformadas de forma plana, que es poco resistente a las deformaciones cuando la caldera está sometida a presión, para evitar las deformaciones y aumentar su resistencia, dichas placas se atirantan, utilizando para ello algunos o todos los tubos de humos. Estos tubos reciben el nombre de tubos tiran tes, que por el trabajo que realizan, deben estar unidos a las placas tubulares siempre con soldadura, y su espesor, normalmente, debe ser superior a los tubos pasadores (en ningún caso pueden emplearse tubos de espesores inferiores a 2,5 mm). Los tubos del haz tubular se fijan a las placas tubulares dependiendo de: • Si todos los tubos son tirantes: el expansionado producido por el mandril será fuerte y se terminará con cordón de soldadura de sellado o estanqueidad. • Si solo parte de los tubos son tirantes: - Para los tubos tirantes: el expansionado producido por el mandril será fuerte y se terminará con cordón de soldadura de sellado o estanqueidad. - Para los tubos pasadores: el expansionado producido por el mandril será fuerte o soldado. • Si no hay tubos tirantes: Cada uno de los tubos del haz tubular estará fijado a las placas mediante mandrilado-soldadura o solamente por soldadura. En todos los casos, los tubos deberán sobresalir como máximo de las placas del hogar 3 mm y 6 mm en las restantes placas tubulares. Solamente en las calderas pirotubulares verticales, el haz de tubos deberá estar constituido por tubos de acero sin soldadura y deberán sobresalir con un resalte no infe rior a 6 mm ni superior a 16 mm. Dichos tubos irán soldados a las placas por soldadura con chaflán en "X" (soldados por ambas caras).
Cajas de humos (6) Son compartimentos donde se recogen los gases de combustión procedentes del haz tu bular y los reconducen al siguiente paso de tubos o a la chimenea. Estas cajas de humos pueden estar situadas en el interior de la caldera (formando parte de la superficie de calefacción) o en el exterior (salida a la chimenea). Suele haber dos, delantera y trasera. Las cajas de humos disponen de puertas frontales al haz tubular.Estas puertas llevan bisagras atornilladas con el objeto de permitir bien su fijación estanca o su giro para las limpiezas periódicas de hollín, revisiones periódicas o mantenimiento (sustitución de algún tubo dañado). Tanto las cajas de humos como las puertas son de acero y están convenientemente aisladas con una argamasa de cemento refractario con vermiculita.
Disposiciones generales constructivas en calderas pirotubulares
Otros elementos Además de los elementos descritos, hay otros elementos de arriostramiento que absor ben las tensiones y las dilataciones debidas al calentamiento de la estructura y elemen tos como registros y puertas que no se muestran en la Figura 4.1, pero ayudan a un buen diseño de la caldera. Algunos de estos elementos son los siguientes: Atirantado: barras tirantes, virotillos y cartelas Otras formas de reforzar las superficies planas contra las deformaciones producidas por las presiones interiores es a través de barras tirantes, virotillos y cartelas. • Barras tirantes: son barras de acero conformadas en caliente y sometidas a tra tamiento de normalizado (consistente en calentar la barra a una temperatura de 40 ºC a 50 ºC por encima de la temperatura crítica, 800 ºC a 900 ºC) y una vez que todo el metal haya pasado al estado austenítico, se deja enfriar al aire que unen mediante soldadura las placas que atirantan. Las barras tirantes son los ele mentos que absorben los esfuerzos mecánicos a que se ven sometidas las placas tubulares. Como los tubos tirantes, también van soldadas a las placas tubulares. Están intercaladas igualmente entre los tubos pasadores. • Los virotillos: son barras de acero que atirantan las cajas de hogar con la pared posterior de la caldera, pueden ir atornillados, mandrilados y soldados por el lado de fuego. Se emplean para atirantar cuando la distancia entre las superficies pla nas es pequeña. • Las cartelas: son placas de chapa de forma triangular que unen las placas fronta les y traseras con la envolvente, normalmente sustituyendo a las barras tirantes, dejando con ello un mayor espacio libre en las calderas para su inspección, limpie za y mantenimiento. Puertas de registro: agujero de boca de hombre, agujero de cabeza, agujero de mano y expansión de gases Para diseñar una caldera es muy importante tener en cuenta una serie de registros o puertas, ya sea al lado del fuego como al lado del agua, que permitan la accesibilidad de las distintas partes de las mismas, bien para su inspección y limpieza o para su mante nimiento. • En el lado del fuego, además de las puertas de cajas de humos (vistas anterior mente) existen en el hogar otras puertas, bien de carga de combustible (com bustibles sólidos) o bien de acoplamiento del quemador (combustibles sólidos, líquidos y gaseosos). También existe un tipo de puertas llamadas de expansión de gases que permiten evacuar cualquier sobrepresión que se produzca en el hogar. En calderas que utilizan combustibles sólidos suelen existir además las puertas cenicero que permiten la extracción de los residuos de la combustión.
85
manual práctico del operador de calderas industriales • En el lado del agua, existen una serie de puertas de forma circular o elíptica, que permiten la inspección y limpieza de la caldera. Según su tamaño se denominan:
86
- Entradas o bocas de hombre (permiten la entrada de una persona), suelen es tar situados en los fondos del cuerpo cilíndrico o, también, cuando las calderas son de gran cámara de agua, en las superficies laterales. Las dimensiones mí nimas son de 320 x 420 mm o de diámetro interior no inferior a 420 mm. - Agujeros de cabeza (permiten la entrada de la cabeza de una persona), son aberturas de 220 x 320 mm de sección mínima o diámetro interior no inferior a 320 mm. - Agujeros de mano (permiten la entrada de la mano de una persona), son aber turas de 80 x 100 mm de sección mínima o de diámetro interior no inferior a 100 mm. En la Figura 4.5 se muestran dos puertas de registro.
Figura 4.5. Puertas de registro.
En todos los casos, los agujeros deben cerrarse herméticamente por medio de una junta interior y tornillos de sujeción M30 según DIN 983. Para realizar la inspección visual de la llama o de cualquier otra parte del hogar, exis ten unas mirillas en las puertas delanteras con aberturas de diámetro igual o superior a 50 mm. También existen otras formas de inspección visual como son las correspondientes sa lidas de vapor,aireación, drenaje, purga, alimentación de agua, válvulas de seguridad, etc.
••
Esta unidad muestra, ya más en detalle, lo que es una caldera acuotubular,incidiendo en las partes de que consta. Como estas calderas son más complejas que las pirotubulares, se explica cómo son las más habi tuales y se citan algunos tipos cuya aplicación es para casos muy concretos. De igual forma que en la unidad anterior,el lector podrá adquirir un conocimiento más profundo de la caldera con la que va a trabajar,consiguiendo así una óptima y segura operación.
Contenidos 5.1.Calderas acuotubulares 5.2.Calderas verticales. Tubos Field.Tubos pantalla parallamas 5.3.Calderas de vaporización instantánea. Serpentines. Separadores de vapor 5.4.Calderas de agua caliente y sobrecalentada 5.5.Calderas de fluido térmico
manual práctico del operador de calderas industriales 5.1. CALDERAS ACUOTUBULARES Las calderas acuotubulares son las que están formadas por una red de tubos, por cuyo interior circula el agua que se pretende calentar.
5.1.1.
Principio de funcionamiento
En la Figura 5.1se muestra un esquema con el principio de funcionamiento. Vapor
Tubos de bajada / / / ,
Aporte .
de calor
......
-+- Agua de alimentación
/ ,/ Tubos de subida Purgas
Figura 5.1. Esquema simplificado de funcionamiento de una caldera acuotubular.
Al tener el agua caliente menos densidad que el agua fría se produce una circulación desde el domo inferior al domo superior.En esta circulación, el agua absorbe el calor ge nerado por combustión en el hogar, calentándose e incluso vaporizándose, ascendiendo al domo superior,donde se separa en dos fases, la fase vapor sale al exterior del domo y la fase líquida desciende al domo inferior,donde se une al agua de alimentación, volvien do a repetirse el ciclo.
5.1.2.
Parámetros de funcionamiento y características generales de trabajo
En este apartado se muestran ciertos parámetros de funcionamiento y características generales de las calderas acuotubulares y la demostración de por qué con estas se pue den conseguir presiones, temperaturas y caudales mayores que con las pirotubulares.
88
Disposiciones generales constructivas en calderas • La temperatura del vapor sobrecalentado generado por este tipo de calderas acuotubulares puede llegar a 550 ºC y las presiones de utilización alcanzan valores entre 35 y 185 kg/cm2 •
89
• La producción de vapor de este tipo de calderas está comprendida entre las 20 y 200 Tm/hora, con un rendimiento de combustión del orden del 90 %. • Como en el caso de las calderas pirotubulares, las calderas acuotubulares pueden ir equipadas con parrilla para la utilización de combustibles sólidos. • Sus formas constructivas son muy diversas, pero generalmente llevan dos o más domos unidos entre sí por tubos que forman el haz vaporizador. • El hogar es una zona formada por paredes de tubos y refractarios que puede ubicarse en el interior de la caldera formando una unidad (combustibles líquidos y gaseosos) o en el exterior (combustibles sólidos). • Sus formas geométricas varían en función del número de colectores y de la dis posición de estos, así como de la incorporación a la misma de sobrecalentadores, recalentadores y economizadores, dependiendo de la potencia, producción de va por, presión de servicio o tipo de combustible. • Como los domos no necesitan tener ninguna superficie tubular de calefacción, pueden fabricarse en diámetros mucho más bajos que el de la virola de las calde ras pirotubulares y, por eso, las calderas acuotubulares soportan presiones mu cho más altas que las pirotubulares. Partiendo de la ecuación: pmax ªadmisible
=
2
X
X
e
D
Donde: tensión admisible (es una constante del material: 1.450 kg/cm2 para cham1s1 1e pa de acero dulce) Pmáx: presión máxima que puede soportar D: diámetro del cilindro e: espesor de la chapa del cilindro Como la tensión admisible es una constante (solo depende del tipo de material), sabiendo que el espesor tiene un límite (la disipación del calor desde el lado hu mos al lado agua), todo lo que pueda disminuirse el diámetro puede emplearse en subir la presión diseño, con la condición de que el valor del producto del espesor por la presión siga siendo el mismo.
ad
ª
. .b :
5.1.3. Partes de una caldera acuotubular Las partes principales de una caldera acuotubular se muestran en la Figura 5.2, mientras que las partes opcionales, tan solo se citan y describen.
Vapor sobrecalentado Agua de alimentación Vapor saturado
(2)
(2)
(7)
1 1 1
\.........../ Gas
t Aire
Purgas Figura 5.2. Esquema de las partes fundamentales de una caldera acuotubular.
Domos o calderines (1) Son depósitos donde se acumula agua y/o vapor. Son el equivalente a los cilindros de las calderas pirotubulares, pero al no tener ninguna superficie tubular de calefacción, pueden fabricarse en menores diámetros y,por consiguiente, pueden soportar presiones más altas, porque, en el caso de las calderas acuotubulares, la superficie de calefacción está en los haces tubulares. El domo (o domos) superior dispone en su interior de elementos que permiten elimi nar las gotas de agua y sedimentos, purificando el vapor que va al proceso. El domo (o domos) inferior está dotado de una válvula de purga para controlar el contenido en sales del agua de caldera y para eliminar los sedimentos que puedan pro ducirse.
91
Dentro de las distintas configuraciones de calderas acuotubulares, las hay que tie nen dos, tres o cuatro domos, aunque lo más frecuente es que tengan un domo inf erior y el resto en la parte superior. También hay calderas de tres domos distribuidos en forma de triángulo, dos en la parte inferior y otro en la parte superior. Los domos superiores almacenan agua y vapor existiendo entre ambas fases un separador, que solo deja pasar el vapor. Desde estos domos superiores, el vapor va al proceso como vapor saturado o como vapor sobrecalentado (en este caso, el vapor pasa antes por un sobrecalentador).
Haz vaporizador (2) Está constituido por los tubos de subida y de bajada en la zona de convección de la cal dera (por eso también se llama haz de convección). Su misión es permitir la circulación del agua de la caldera desde el domo inferior al superior y viceversa. Su número y distri bución depende del número de domos, así como de la incorporación de las superficies de intercambio de calor, tales como economizadores, sobrecalentadores, recalentadores o precalentadores de aire, etc. Los tubos de subida llevan una mezcla agua-vapor hacia el domo superior y los de bajada solo llevan agua al domo inferior.El número de tubos de subida y bajada depende del diseño y régimen de la caldera. Cuando el régimen es bajo solamente actúan como tubos de subida los más próximos al hogar, que son los que reciben directamente el calor radiante de la llama. Cuando el régimen de la caldera aumenta, se incorporan al intercambio de calor los tubos llamados "de transición", situados entre los anteriores y los estrictamente de bajada. Los tubos del haz de convección se disponen de tal manera que una parte de los mis mos (los más calientes) actúan como elemento de subida del fluido y el resto (los menos calientes) como elemento de bajada del fluido ("efecto de convección"). Por los tubos de subida el agua recibe el calor de los humos, alcanzado la temperatu ra de saturación, por lo que se forma una mezcla de agua y vapor que asciende hasta el domo superior de la caldera. La menor densidad del agua a la temperatura de saturación en los tubos de subida establece la fuerza de circulación por convección (convección na tural). La circulación puede ser también forzada, siendo en este caso de tubos inclinados o de tubos verticales. En las calderas que trabajan con altos regímenes de combustión, los tubos de la parte anterior del hogar (zona próxima al fuego) son de mayor diámetro con el
objeto de aumentar el flujo de agua, porque el alto gradiente térmico en estas superficies permite una tasa alta de transferencia de calor. Los tubos del haz vaporizador se fijan a los domos o a los colectores mediante man drilados, soldadura o combinación de ambas.
manual práctico del operador de calderas industriales
Colectores (3) Son elementos que por necesidades constructivas o de diseño reciben el agua de varios tubos y salen con un único tubo de salida hacia el domo. Según el diseño de la caldera, no todos los tubos del haz vaporizador pueden conectarse a veces a los domos. En estos casos, los tubos se conectan a los colectores que hacen de conexión intermedia (Figura 5.3). Domo superior
Colectores (3)
Figura 5.3. Esquema de conexión de calderines al domo superior.
La distribución de los tubos en el colector puede hacerse de forma regular o irregu lar. Si la distribución es regular puede hacerse en línea, a tresbolillo (formando triángulos equiláteros) o en dientes de sierra. Los colectores pueden ser de acero forjado o sin soldadura. Cuando son sin soldadu ra, sus extremos van cerrados por medio de tapones a rosca, con bridas atornilladas o soldadas o con fondos embutidos. No se deben utilizar tornillos en las partes expuestas a la acción de los gases de combustión.
H ogar (4) Es la zona donde tiene lugar la combustión. Las paredes del hogar pueden ser de material refractario (paredes calientes), o de una parte de los tubos del haz de tubos (paredes frías). Los hogares con paredes mixtas combinan ambos tipos. La Figura 5.4 muestra distintas fases constructivas del hogar de una caldera acuotubular. El hogar puede ubicarse en el interior de la caldera, formando una unidad con esta y también en el exterior de la misma, con la correspondiente
92
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares comunicación con la caldera. Este es el caso de determinados combustibles
sólidos, en el que el hogar está en el exte-
93
rior de la caldera, comunicando ambos con una cámara de radiación interior a la caldera en donde se ubica un quemador, alimentado por combustibles líquidos o gaseosos.
Sobrecalentador
Figura 5.4. Fases constructivas de una caldera acuotubular.
Pantallas (5) Son elementos colocados en el circuito de humos para guiar su recorrido.
Sobrecalentador (6) Es el elemento encargado de elevar la temperatura del vapor por encima de la de sa turación y está formado por un sistema de tubos sobre el que inciden los humos más calientes. Hay dos tipos de sobrecalentadores: • Integrales: forman parte de la caldera o generador de vapor. Según sea la zona de la caldera en la que están situados, pueden ser: - Sobrecalentadores por convección. - Sobrecalentadores por radiación. - Sobrecalentadores por radiación y convección.
• Independientes: disponen de un hogar especial con un quemador auxiliar, que puede estar conectado a una o varias calderas.
manual práctico del operador de calderas industriales Economizador (7)
El economizador es un elemento opcional de la caldera que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del agua de alimentación. El economizador está formado por una sección de tubos, a través de los cuales pasa el agua de alimentación, que se calienta con los gases de combustión que pasan a través del haz de convección de la caldera. Los economizadores se fabrican con tubos de acero, normalmente en forma de ser pentín o en tubos de hierro fundido con aletas, circulando en ambos casos el agua por el interior de los tubos y los gases por su parte externa. La Figura 5.5 muestra los tubos de un economizador.
Figura S.S. Economizador en fase de construcción .
Los economizadores se clasifican: Por el tipo de material: a) De acero estirado sin aletas: para temperaturas de humos muy altas, con
gran des saltos térmicos y gran transferencia de calor. b) De acero estirado con aletas transversales de acero: formados por tubos li sos con aletas redondas o cuadradas unidas al tubo por soldadura o por encastre, por deformación en frío o en caliente. c) De acero con aletas de fundición: tienen las ventajas de la fundición frente a la corrosión ácida y las del acero en cuanto a la resistencia mecánica. Por su localización, los economizadores se clasifican en: a) De tipo integral:se caracterizan por tener baterías de tubos localizados dentro del cuerpo de la caldera. La Figura 5.6 muestra un economizador dentro de una caldera de postcombustión.
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
Planta de cogeneración en ciclo combinado 20Tm/h
Tanque de
200'C
alimentación
E.R.M.
Economizador
Turbina de gas
Caldera acuotubular Turbina de vapor 340'C
...., Fábrica 180'C
Reductora de presión
Atemperadora
Figura 5.6. Economizador integrado en una caldera acuotubular.
Los economizadores integrados, a su vez, pueden ser: • De un solo colector, que consta de un colector montado en su extremo infe rior,del que parten los tubos dispuestos en paralelo hacia la parte superior, en donde se conectan directamente al domo superior de la caldera. • De doble colector, que constan de un colector inferior y otro superior, conec tados entre sí por tubos. El agua de alimentación se introduce en el colector superior, de donde pasa por una sección de tubos hacia el domo inferior para pasar después al domo superior de la caldera. Las conexiones entre el econo mizador y la caldera incorporan un sistema de válvulas que permite aislar el economizador del sistema. Estos economizadores solo es posible colocarlos en las calderas acuotubulares. b) De tipo adyacente: se caracterizan por su construcción de tubos horizontales colocados en serpentines o hileras cerradas, dispuestos por lo general en forma alternada; los gases de la combustión fluyen transversalmente al eje longitudinal de los tubos. Estos economizadores están situados fuera de la caldera (acuotu bular o
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manual práctico del operador de calderas industriales pirotubular), formando una unidad independiente, y en el caso de calderas de tiro aspirado, antes del ventilador de extracción de gases.
10 0
En la Figura 5.7 se muestra una disposición en paralelo.
t
Humos
Economizador
Caldera
Agua de alimentación --+--
Figura 5.7. nstalación de un economizador.
Cada tipo tiene ventajas e inconvenientes, pero en ambos casos debe preverse una alimentación continua con el fin de eliminar posibles choques térmicos que puedan ocu rrir en una alimentación discontinua.
Calentador de aire (8) El calentador de aire es un intercambiador de calor,que sirve para precalentar el aire an tes de entrar en el quemador,aprovechando el calor residual de los humos antes de salir por la chimenea. En algunos casos también se emplea vapor residual en vez de humos. Se instala en el curso de la corriente de los humos de combustión, entre la caldera y la chimenea, o entre el economizador (si lo hay) y la chimenea. El aire para la combustión se calienta con los gases de escape, al ser impulsado a través del calentador por medio de un ventilador de tiro forzado.
Una configuración posible se muestra en la Figura 5.8.
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
tHumos Calentador
Caldera
Agua de alimentación
Figura 5.8. nstalación de un calentador de aire de combustión. o
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(1
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E l m a t e r i a l
manual práctico del operador de calderas industriales de los calentadores de aire puede ser acero, hierro for jado o vidrio construcción
Pyrex. Los calentadores de aire se clasifican de acuerdo con su principio de operación en: • Calentadores recuperativos: el calor a recuperar procedente de un fluido en movimiento (gases de escape, vapor, etc.) pasa a través de la superficie de inter cambio de calor hacia el aire más frío (también en movimiento). Ambos fluidos están completamente separados en todo momento. • Calentadores regenerativos: en este caso, una masa es térmicamente regene- rada por el paso de los productos de la combustión calientes, después de que ha sido enfriada por la corriente de aire.
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manual práctico del operador de calderas industriales
Recalentador (9) Es el elemento encargado de elevar la temperatura de un vapor procedente del proceso, sin entrar en la caldera. Cuando el vapor sale de la caldera, para trabajar en una máquina, normalmente la presión y temperatura descienden hasta el punto de saturación llegando incluso a la zona húmeda (título inferior a la unidad). Si se pretende reutilizar este vapor en otras máqui nas del proceso, sin volverlo a llevar a la caldera para calentarlo de nuevo se emplea un recalentador. Por tanto, su función es semejante a la del sobrecalentador, pero con el recalentador el vapor solo incrementa su temperatura, manteniendo la presión (normal mente desciende, debido a la pérdida de carga). Para el diseño del recalentador,la caída de presión se limita al 10 % en total (5 % a través del mismo y otro 5 % por pérdidas en válvulas y conexiones). Los recalentadores, al igual que los sobrecalentadores, también pueden clasificarse en: a) Recalentadores por convección. b) Recalentadores por radiación. c) Recalentadores por convección y radiación.
5.2. CALDERAS VERTICALES. TUBOS FIELD.TUBOS PANTALLA PARALLAMAS Las calderas verticales son calderas acuotubulares, de pequeña producción de vapor, en las que los tubos del haz de convección están situados al final de la cámara de combustión. La combustión en este tipo de caldera se realiza en su parte inferior,ascendiendo en un solo recorrido los gases de combustión hasta la chimenea y cruzando en su camino las diversas secciones de la superficie de calefacción de la caldera. La característica que distingue un tipo de caldera de otra es la situación de los tubos de convección, que pueden ser verticales colgados de una placa tubular superior y con su extremo inferior cerrado (tubos Field), cruzados respecto al sentido de circulación de los gases y con una ligera inclinación para facilitar la circulación natural del agua, y de tipo curvados conectados a la parte superior de la caldera que actúa como domo colector. Para la protección de los domos o de los sobrecalentadores se utilizan tubos pa rallamas situados sobre el hogar, para evitar que la llama alcance directamente a los tubos. También se utilizan otros dispositivos en hierro fundido, denominados igualmente parallamas.
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Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
Para evitar el tiro directo de la llama o de los gases de combustión a la chimenea, estos tubos parallamas obligan a los humos a circular a través de las superficies de ca lefacción de la caldera. En las revisiones periódicas y limpiezas debe verificarse la zona del plano de evapori zación del agua en el lugar en contacto con los gases de la combustión, por ser una zona sometida a mayor corrosión y esfuerzos térmicos que el resto de la caldera.
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5.3. CALDER AS DE VAPORIZACIÓN NSTANTÁNEA. SERPENTINES. SEPARADORES DE VAPOR Son calderas acuotubulares con un serpentín, calentado por una llama. El agua entra al serpentín por su extremo inferior, saliendo en forma de vapor por el extremo superior. El volumen de la caldera se diseña para conseguir alcanzar el punto de saturación del agua, partiendo de agua totalmente fría. Normalmente, se construyen para pequeñas producciones de vapor, aunque hay al gunas excepciones en las que se usan para grandes producciones de vapor: • Calderas de vaporización instantánea de serpentín: son para producciones de vapor de hasta 5 Tm/h. • Calderas de vaporización instantánea tipo Benson: son para grandes produc ciones (centrales térmicas), en las que se ha prescindido de domo. Podría ser un tubo calentado por una llama, en que el agua alimentada por un extremo sale en forma de vapor por el otro. La Figura 5.9 muestra dos calderas de vaporización instantánea, una horizontal y otra vertical.
Figura 5.9. Calderas de vaporización instantánea .
Como el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta en un corto espacio de tiempo, la caldera está lista para dar vapor en las condiciones requeridas casi de forma instantánea. En esta clase de calderas, el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el caudal de calor aportado y caudal de agua puede dar lugar a obtener agua caliente o vapor recalentado si no está bien controlado el aporte de calor.
En las calderas de evaporación instantánea de serpentín de pequeña producción, la disposición constructiva más usual es de dos o más serpentines en tubos de acero, situados concéntricamente o conectados en paralelo, recorridos en sentidos alternativos por los gases de combustión. El espacio interno del serpentín interior se comporta como el hogar de la caldera. Para evitar la formación de vapor recalentado, se suministra un ligero exceso de agua que además sirve para un continuo lavado de los tubos, arrastrando consigo las sales disueltas del agua de alimentación. Para que el vapor saturado de salida de la caldera sea seco, se instala un separador de vapor para eliminar del vapor el exceso de agua alimentado. Existen diversos tipos de separadores, pero el más habitual es el ciclónico, en que el vapor entra tangencialmente a un tubo vertical, separándose el agua del vapor por efecto centrífugo, evacuándose el agua por su parte inferior y el vapor por su parte superior.
5.4. CALDER AS DE AGUA CALIENTE Y SOBRECALENTADA Las calderas de agua caliente y sobrecalentada se construyen en tipos pirotubular y acuotubular,con potencias de hasta 300.000 kcal/h. Su utilización en la industria generalmente es para trabajar en circuitos de baja pre sión y temperatura. La Figura 5.10 muestra una batería de calderas de agua sobrecalentada.
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Figura 5.10. Calderas de agua sobrecalentada .
100
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
Estas calderas presentan una serie de ventajas e inconvenientes respecto a las de vapor: a) Ventajas: • Se elimina el riesgo de fugas y pérdidas en purgadores. • No existen pérdidas de calor a causa de purgas de caldera, ni problemas aso ciados a su evacuación. • Se reducen los problemas de conservación de líneas a causa de la corrosión e incrustaciones. • El trazado de tuberías resulta más sencillo al no tener que considerar desnive les ni puntos de recogida de condensados. • Se eliminan gastos ocasionados por el tratamiento de agua. b) Inconvenientes: • Los equipos de intercambio de calor requieren de mucha más superficie y vo lumen con agua sobrecalentada que con vapor, lo que complica y encarece la instalación. • Para suministrar la misma cantidad de calor, con estas calderas se necesita más caudal de agua que la que se necesitaría con las de vapor. • Cuando se producen roturas en tuberías del equipo de agua sobrecalentada, se produce una disminución de la presión y como consecuencia una brusca evapo ración de la masa de agua sobrecalentada, con el riesgo de accidente, al aumen tar extraordinariamente el volumen de forma prácticamente instantánea.
5.5. CALDERAS DE FLUIDO TÉR MICO Son calderas que se emplean en procesos que requieren altas temperaturas con pre siones bajas o medias, por lo que usan fluidos térmicos diferentes al agua como fluido caloportante (el más común es el aceite). Las calderas empleadas son de tubos en forma de serpentín, de dos o tres serpen tines concéntricos, y en el centro se aloja la llama que cede principalmente su calor por radiación a los tubos. Las temperaturas utilizadas con fluidos térmicos oscilan entre 250 ºC y 400 ºC, sien do esta una gran ventaja frente al vapor,puesto que alcanzar estas temperaturas implica muy altas presiones en vapor,en que el coste de la instalación de las calderas de vapor es mayor que con las de fluido térmico. Sus inconvenientes son la toxicidad de los fluidos térmicos, los riesgos de inflamabi lidad y autoignición, y su coste de reposición que, a pesar de su duración, es mayor que el agua. La Figura 5.11muestra una caldera de fluido térmico.
Figura 5.11. Caldera de fluido térmico.
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•• Esta unidad muestra los diferentes elementos anexos a la caldera que permiten su correcto funcio namiento, dando detalles en muchos casos para que el operador tenga las nociones necesarias de los mismos y sea capaz de manipularlos de una forma lógica.
Contenidos 6.1. Concepto 6.2.
Válvulas de paso o interrupción: asiento y compuerta
6.3.
Válvulas de retención: de asiento, de clapeta y de disco
6.4.
Válvulas de seguridad
6.5.
Válvulas de descarga rápida
6.6.
Válvulas de purga continua
6.7. ndicadores de nivel: grifos y columnas 6.8.
Controles de nivel por flotador y por electrodos
6.9.Limitadores de nivel termostáticos 6.10.
Bombas de agua de alimentación
6.11.
nyectores de agua
6.12.
Caballetes y turbinas para agua de alimentación
6.13.
Manómetros y termómetros
6.14.
Presostatos y termostatos
6.15.
Quemadores
6.16.
Elementos del equipo de combustión
6.17.
Estación de regulación y medida para gas
manual práctico del operador de calderas industriales
6.1. CONCEPTO Los accesorios son todos aquellos elementos que sin formar parte de la caldera propia mente dicha están relacionados con la misma, porque son necesarios para su operación, control, mantenimiento, seguridad y eficiencia de operación.
6.2. VÁLVULAS DE PASO O INTERRUPCIÓN: ASIENTO Y COMPUERTA Las válvulas de paso son las que permiten o interrumpen el paso de caudal de fluido a través de las tuberías o conductos de la caldera. Las hay de varios tipos:
Válvulas de asiento (también llamadas de globo) Son aquellas en las que el cierre se consigue mediante un vástago que desciende hasta un asiento metálico cuando se gira el volante en el sentido horario. Para abrir la válvula, se eleva el vástago, distanciándolo de su asiento mediante un movimiento en sentido antihorario (Figura 6.1).
Figura 6.1. Conjunto y detalle de una válvula de asiento.
Válvulas de compuerta Disponen de una compuerta desplazable (mortaja) con relación a la trayectoria que sigue el fluido en la tubería donde se encuentra instalada la válvula. Pueden ser de tajadera y de bola o de sector de bola (Figura 6.2).
Accesorios y elementos adicionales para calderas
Válvulas de tajadera
Vtllvula de sector de
bola Figura 6.2. Válvulas de compuerta.
Observaciones importantes • Excepto las válvulas de seguridad y las de unión con sobrecalentadores y reca lentadores, entre la conexión de salida de vapor y la conexión de llegada de vapor debe haber una válvula de interrupción lo más cerca posible de la caldera y en un punto con acceso fácil y cómodo a la válvula. Además, dicha válvula debe indicar, de forma clara, el estado de apertura o cierre de la misma. • Las calderas de vapor saturado y sobrecalentado y los recalentadores disponen de una válvula para interrumpir la salida del vapor. Los recalentadores de vapor dispondrán además de una válvula de seccionamiento en la tubería de entrada de vapor. • Estas válvulas deben ser de cierre lento, de fácil maniobra y con husillo exterior, y la velocidad de salida del vapor a través de ellas para la máxima producción en régimen continuo no debe sobrepasar 30 mis para el caso de vapor saturado y 50 mis en el caso de vapor sobrecalentado y recalentado. • Cuando hay varias calderas en paralelo, cada una de ellas debe llevar válvulas de interrupción en el circuito principal de agua para incomunicar la caldera con la instalación en el caso de avería o limpieza. • En calderas de agua caliente, la instalación de válvulas de cierre o separación entre las tuberías de subida y bajada de la caldera se hará de manera que se asegure la unión de la caldera al vaso de expansión, incluso con válvulas cerradas. Además se dispondrá de una válvula de paso en el circuito de alimentación. • Las calderas manuales que emplean combustibles líquidos o sólidos pulverizados dispondrán de válvulas de interrupción manual para cortar la aportación calorífica procedente del combustible. • En las calderas automáticas de vigilancia directa que utilicen combustibles líqui dos o sólidos pulverizados, en la entrada del combustible al quemador deberá ir colocada una válvula de cierre manual, además de las correspondientes válvulas de cierre automático.
manual práctico del operador de calderas industriales
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Accesorios y elementos adicionales para calderas
6.3. VÁLVULAS DE RETENCIÓN: DE ASIENTO, DE CLAPETA Y DE DISCO Las válvulas de retención (antirretorno) son las que permiten el paso del fluido en un sen tido. El elemento incorporado para retener o impedir el retroceso del fluido es un vástago que apoya en su asiento, en una clapeta o en un disco (Figura 6.3). Sentido del flujo
¡g +-++--Muelle
=;;<'.l _, ..,,_,.,.._ Disco Cuerpo
A bierto
Cerrado
Figura 6.3. Válvula de retención y forma de trabajo.
Observaciones importantes • Cada tubería de alimentación de agua para las calderas debe tener instalada una válvula de retención y otra de cierre, separadas y situadas cerca de la caldera. Si hay un economizador, dichas válvulas se situarán a la entrada del mismo. • En el caso de calderas unidas a un colector común o a un distribuidor de vapor, la conexión de vapor de cada una de estas calderas llevará, al menos, una válvula de cierre y una válvula de retención. • Ubicación de las válvulas de retención: a) En calderas de vapor saturado y de agua sobrecalentada, sobrecalentadores, recalentadores de vapor:
manual práctico del operador de calderas industriales - Dos válvulas de retención en la tubería de alimentación de agua, una muy cerca de la caldera y la otra a la salida de la bomba. Si hay más de una bom ba con tuberías comunes, a la salida de cada una de ellas irá una válvula de retención y a continuación otra de interrupción. - Una válvula de retención en la tubería de salida de vapor de cada unidad que forme parte de un grupo de calderas o recalentadores con un colector común. - Una válvula de retención en la tubería de alimentación de agua que proceda de la red pública.
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Accesorios y elementos adicionales para calderas
b) En calderas de agua caliente: una válvula de retención en el circuito de ali mentación. Esta válvula puede suprimirse cuando el agua de alimentación va directamente a un vaso de expansión abierto. c) En calderas automáticas de vigilancia directa o indirecta con combustibles lí quidos: una válvula de retención cuando el quemador sea del tipo de variación de caudal por modificación de la presión de retorno, para obturar este retorno. Podrá suprimirse dicha válvula de retención si la propia válvula de regulación de la presión de retorno actúa como válvula de retención.
6.4. VÁLVULAS DE SEGURIDAD Las válvulas de seguridad son dispositivos destinados a la protección de los equipos a presión para evitar que se superen los límites admisibles. La Figura 6.4 muestra la sec ción de una válvula de seguridad. Opción
Opción
1
Resorte en acero Cr-Va
Tapa con cierre hennético para
Tapa con cierre hermetice para gas
gas Resorte en acero Cr-Va Disco y asiento Opción
Y
Asiento blando Disco asient en para cierre hermético acero HlOX. pulido
·
Tobera
,
al espejo
en
acero inox.
Figura 6.4. Sección de una válvula de seguridad. o
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Opción
manual práctico del operador de calderas industriales 6 .
4.1. Norma UNE 9-100-86. Válvulas de seguridad de calderas de vapor La norma UNE debe consultarse siempre, pero se ha considerado interesante dar un amplio detalle de la misma, ya que el correcto dimensionamiento de las válvulas de se guridad es de vital importancia para las personas, los propios equipos presurizados y el resto de elementos de la instalación sometidos a presión.
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Accesorios y elementos adicionales para calderas
Definición Las válvulas de seguridad son las encargadas de evacuar el caudal del fluido necesario de un equipo presurizado (caldera de vapor,economizador, sobrecalentador y recalenta dor) de tal forma que no se sobrepase la presión máxima admisible (antes de timbre) del equipo presurizado a proteger. La presión máxima admisible (antes presión de timbre) es la presión para que se ha proyectado el equipo presurizado y se llama así porque esta presión va timbrada en la envolvente del equipo. t/"7,222:ZZZ ----------Tapa
Tuerca de bloqueo ----=:j
t7------:---:-:-:;----Anillo espiga ('d--t-----Arandela y pasador palanca
::.-C=--.-.-c=..-'
Palanca------<
r+-l"J---------Tornillo de ajuste ..b::11>1------Tuerca tornillo de ajuste H------Tornillo fijación cabezal
Placa de características
"1------Cuerpo intermedio .--------Espárragos .--------- Tuercas
Pasador vástago -Fr.771 ====1--' Vástago ¡.,..<.., 4.44---1
V. 4'.../--1--------+- Disco ---+-----+-Aro ajuste sup.
Tornillo fijación aro superior Tomillo fijación
aro inferior ,.::=S r==i
----------+-t
Bola disco
--+- -----t-Aro ajuste inf.
manual práctico del operador de calderas industriales Figura 6.5. Componentes de una válvula de seguridad.
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Accesorios y elementos adicionales para calderas
La presión de precinto (antes de tarado) es la presión a la que está tarada la válvula que protege a los equipos presurizados antes mencionados. Esta presión siempre debe ser menor a la máxima admisible. Según donde estén ubicadas las válvulas de seguridad se debe considerar: a) Las válvulas de seguridad de calderas, sobrecalentadores y recalentadores de apertura rápida y total, no proporcional al aumento de presión. Son siempre de resorte y están provistas de un mecanismo de apertura manual, debiendo ser la elevación de la válvula mediante la presión del vapor evacuado (Figura 6.5). b) Las válvulas de seguridad para economizadores, denominadas habitualmente de alivio, se caracterizan por una apertura automática y proporcional cuando la pre sión sobrepasa el valor de la presión de precinto (antes de tarado).
Tipos de válvulas de seguridad Según el mayor o menor levantamiento de la válvula, ejercido por la presión del vapor, las válvulas pueden ser: • Válvulas de seguridad de elevación media: se entiende por válvula de seguri dad de elevación media aquella en la que la presión del vapor evacuado produce al levantamiento de la válvula al menos un 1/12 del diámetro interior de la tobera. • Válvulas de seguridad de elevación total: se entiende por válvula de seguridad de elevación total aquella en la que el levantamiento de la válvula, ayudado por la presión del vapor evacuado, crea un área neta para el paso del vapor igual al menos al 80 % del área neta de la sección libre de la tobera después de haber deducido de la misma las obstrucciones debidas a las guías y al cuerpo de válvula, cuando está en su posición más alta, siendo su carrera mínima igual a la cuarta parte del diámetro interior mínimo de la tobera. Otras variantes de válvulas de seguridad: • Por su agrupación: - Válvula de seguridad sencilla: es la que aloja en su cuerpo un solo asiento. - Válvula de seguridad doble o múltiple: es la que aloja en su cuerpo dos o más asientos de válvulas. • Por su conexión: - Válvulas embridadas. - Válvulas soldadas. - Válvulas roscadas.
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Nota: Las válvulas de seguridad de los tipos establecidos y variantes consideradas podrán ser también accionadas con válvula piloto, denominadas en este caso válvulas pilotadas, siempre que el dispositivo que accione a la válvula lo haga por medio del vapor de la caldera en la cual está montada dicha válvula, no aceptándose fuentes externas de energía.
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manual práctico del operador de calderas industriales
Terminología A continuación se definen algunos conceptos importantes y que se observan de forma más clara en la Figura 6.6: • Presión de precinto (antes de tarado): es la presión a la cual se dispara la válvula. En ningún caso superará a la presión máxima admisible (antes presión de timbre). • Sobrepresión: es el incremento de presión que se produce por encima de la pre sión de precinto (antes de tarado) estando la válvula completamente abierta. • Presión de cierre: es aquella presión a la que se cierra la válvula una vez desa parecida la causa que motivó su apertura. • Escape: es la diferencia entre la presión de precinto (antes de tarado) y la de cierre. Presión Pe: presión de
Sobrepresión ]-·--·---··----:;;;;.,
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Escape
precinto (antes de tarado) Pr: presión de trabajo Pe: presión de cierre
··-··--··-··-J... Pe
iempo
Figura 6.6. Diagrama presión-tiempo de una válvula de seguridad.
Funcionamiento El funcionamiento de una válvula de seguridad es distinto en función de que sea de aper tura instantánea o de alivio, como se muestra a continuación. Válvulas de seguridad de apertura instantánea Cuando se produce una elevación de la presión próxima a la de precinto (antes de tara do), la fuerza ejercida por el resorte equilibra a la resultante de la presión de entrada sobre el área inferior del disco de cierre u obturador. Al estar el disco de cierre completamente equilibrado, cualquier ligero aumento de la presión le separará del asiento de la tobera y permitirá la salida de algo de vapor, que pudiera estar retenido en la cámara de expansión. Esta presión, multiplicada por el aumento de sección que presenta ahora el resorte del disco de cierre u obturador o deflector,obligará a este a separarse
110
Accesorios y elementos adicionales para calderas repentina y total mente. Además, al invertirse el sentido del flujo del vapor a su salida por el perfil o diseño del resorte del disco de cierre o deflector, se aprovecha la fuerza de reacción que origina
la energía cinética del vapor y la válvula se mantiene completamente abierta mientras no disminuya la perturbación. Si, con posterioridad, dicha perturbación desaparece, la válvula se cierra por sí sola a una presión ligeramente inferior a la de precinto (antes de tarado) a consecuencia de la energía cinética del vapor de escape. El sistema de ajuste del anillo permite regular la presión y el escape. Válvulas de seguridad de alivio Trabajan igual que las de apertura rápida, salvo que en las válvulas de seguridad de aper tura instantánea, la válvula se mantiene completamente abierta mientras no disminuya la perturbación y en las de seguridad de alivio la apertura de la válvula es proporcional al caudal a evacuar.
Dimensionado y número de válvulas de seguridad El dimensionado y el número de válvulas de seguridad es función del elemento a prote ger,por lo que a continuación se indica, en cada caso, cómo se debe proceder: Calderas de vapor saturado Las calderas de vapor saturado deben tener, como mínimo, dos válvulas de seguridad independientes. Pero en las calderas en las que el producto de la presión de servicio (P, en bar) por el volumen de agua contenida ( V, en m3) sea igual o inferior a 10, podrán incorporar una sola válvula de seguridad. Además, estas válvulas de seguridad deben ser de apertura instantánea total. El conjunto de las válvulas de seguridad instaladas deberá permitir dar salida al cau dal de vapor,de forma que el aumento de presión en el interior de la caldera no exceda del 10 % de la presión de precinto correspondiente. p
Q = 3.600 -¡:
Donde: Q: total de vapor a evacuar,en kilogramos por hora P: potencia de la caldera, en vatios J..: calor latente de vaporización, en julios por kilogramo, del agua de la caldera, a la presión de servicio El caudal de vapor evacuado por una válvula de seguridad será garantizado por el fabricante de la misma, tras haberla homologado por una entidad de control reconocida. Sobrecalentadores de vapor Los sobrecalentadores de vapor que puedan permanecer bajo presión, con independen cia de la caldera respectiva, llevarán como mínimo una válvula de seguridad cuya capaci dad de descarga será de 30 kilogramos de vapor por cada metro cuadrado de superficie de calefacción del sobrecalentador. El sobrecalentador de vapor incorporado a la caldera, sin interposición de una vál vula de seccionamiento, llevará igualmente una válvula de seguridad pero, en este caso,
11 ,
manual práctico del operador de calderas industriales
su capacidad de descarga podrá considerarse como formando parte de las válvulas de seguridad de la caldera. Para la evacuación de vapor sobrecalentado solo se admitirán las válvulas de segu ridad de apertura instantánea. El caudal de vapor sobrecalentado evacuado por una válvula será garantizado por el fabricante de la misma tras homologarla por una entidad de control reconocida. Recalentadores de vapor Los recalentadores de vapor dispondrán de una o más válvulas de seguridad, para que la capacidad total de descarga sea, al menos, igual al máximo caudal de vapor para el que se ha diseñado el recalentador. Para la evacuación del vapor recalentado solo se admitirán válvulas de seguridad de apertura instantánea. El caudal de vapor recalentado que evacua una válvula de seguridad será garantiza do por el fabricante de la misma tras homologarla por una entidad de control reconocida. Calderas de agua sobrecalentada y economizadores Las calderas de agua sobrecalentada dispondrán de dos válvulas de seguridad de alivio, salvo aquellas en las que el producto de la presión de servicio, en bar,por el volumen de agua de la caldera, en m3, sea igual o inferior a 10, para las cuales se admitirá la instala ción de una sola válvula de seguridad de alivio. Los economizadores que puedan aislarse de la caldera dispondrán de una o más válvulas de seguridad de alivio. El conjunto de las válvulas de seguridad de alivio instaladas, tanto en calderas de agua sobrecalentada como en economizadores, deberá permitir la descarga de la canti dad de agua necesaria para que la presión en el interior del aparato respectivo no sobre pase en más de un 10 % la presión de precinto, suponiendo una circulación nula de agua. El agua a evacuar por una caldera de agua sobrecalentada o por un economizador es: p
Q = 3.600 -¡:
Donde: Q: total de vapor a evacuar,en kilogramos por hora P: potencia de la caldera o la máxima capacidad de intercambio de calor del econo mizador,en vatios J..: calor latente de vaporización, en julios por kilogramo, a la presión de servicio en cada caso El caudal de agua evacuado por una válvula de seguridad es el garantizado por el fabricante de la misma una vez homologado por una entidad de control reconocida.
Tamaño mínimo de las válvulas
112
Accesorios y elementos adicionales para calderas
En ningún caso se instalarán válvulas de seguridad de apertura instantánea o de alivio de tamaño inferior a DN 15 (diámetro nominal interior,en milímetros).
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Dispositivos de levantamiento Cada válvula de seguridad dispondrá de una palanca de apertura manual que permita descargarla a una presión inferior a la de precinto (antes de tarado). Este mecanismo estará estudiado de forma que impida a la válvula quedarse levan tada o fuera de su asiento cuando deje de aplicarse la fuerza exterior que produjo el levantamiento.
Construcción Las válvulas de seguridad se construirán de tal forma que la rotura de cualquier pieza de ellas no dificulte la libre descarga del vapor de la caldera, de tal forma que: • Los cierres y vástagos no podrán salirse de su guía ni agarrotarse. • Los vástagos irán desprovistos de empaquetaduras o prensaestopas. • La relación entre la longitud del resorte espiral sin cargar y su diámetro exterior no excederá de 4. • Las válvulas de seguridad estarán dispuestas para que, aun en el caso de rotura del resorte, no se producirá el lanzamiento del vástago y cierre. • Los resortes de las válvulas de seguridad instaladas en sobrecalentadores esta rán expuestos a la atmósfera.
Materiales Los materiales empleados serán adecuados a las condiciones de servicio y,en todos los casos, el fabricante indicará la composición y características mecánicas. A título indicativo, se facilita a continuación la relación de los materiales más común mente empleados en los principales elementos de las válvulas de seguridad. • Cuerpo, los materiales empleados son: - Hierro fundido, para presiones no superiores a 16 kgf/cm2 (trabajando con vapor 14 kgf/cm2) y temperaturas no superiores a 220 ºC. - Acero al carbono fundido y fundición nodular, para presiones superiores a 16 kgf/cm2 y temperatura de servicio hasta 400 ºC + 460 ºC. - Acero aleado fundido, principalmente Cr o Mo para temperaturas superiores. • Cúpula o arcada: materiales idénticos a los citados para el cuerpo. • Asiento: acero inoxidable o aleación equivalente: Hasteloy,etc. • Disco de cierre: acero inoxidable forjado, endurecido superficialmente. • Vástago: acero inoxidable o aleaciones equivalentes. • Resorte: acero al carbono para temperaturas bajas (límite superior muy variable, según los diferentes constructores) y acero aleado, preferentemente al wolframio para temperaturas superiores.
Accesorios y elementos adicionales para calderas
Instalación Para la instalación se dan las siguientes recomendaciones: • Las válvulas de seguridad irán sin válvula intermedia sobre conexiones planas o tubulares. • La descarga de la tubería de salida debe dirigirse a un punto sin peligro para per sonas o cosas. • Cuando la tubería de salida esté dirigida hacia arriba, se debe instalar una purga en el punto más bajo de la tubería de salida y situada de manera que si se produce una descarga no haya riesgo alguno. • La tubería de salida no debe transmitir ningún esfuerzo a la válvula cuando haya descargas. • La tubería de entrada a la válvula debe tener una pendiente positiva del orden del 1% para que no se acumule condensado en la tubería. • Las válvulas de seguridad no deben calorifugarse; si hay que tocarlas se hará con los elementos de protección personal necesarios. • La válvula de seguridad debe instalarse a 8 +10 veces el diámetro de la tubería, aguas abajo de un punto singular (codo, reducción, etc.). • Cada válvula de seguridad debe tener su propia tubería de descarga y sin ninguna restricción. • No se debe utilizar el mismo tubo de descarga para distintas válvulas de seguridad. • El diámetro nominal de la tubería de salida debe ser igual o mayor que el diámetro nominal de la brida de salida de la válvula, para mantener la contrapresión menor del 10 % de la presión precinto (antes de tarado). • La tubería de descarga debe ser del tamaño adecuado para no generar pérdidas de carga excesivas, por lo que no será de menor tamaño que la de entrada a la válvula de seguridad y su tamaño deberá tener dos veces el asiento de la válvula de seguridad.
6.5. VÁLVULAS DE DESCARGA RÁPIDA Son válvulas de maniobra o de apertura rápida, empleadas principalmente para efectuar la purga de calderas de una forma completa. La Figura 6.7 muestra cómo es este tipo de válvula. La purga en el fondo de la caldera sirve para reducir las concentraciones de sales y de sólidos no disueltos. En las tuberías de drenaje se instalará una válvula de cierre. En cada tubería de purga intermitente o de extracción de lodos deberá instalarse una válvula de interrupción, pudiendo instalar a continuación una válvula de apertura rápida por palanca. La válvula de drenaje y las válvulas de purga podrán sustituirse por una sola válvula mixta de cierre y descarga rápida. Todas estas válvulas deberán tener un diáme tro nominal en mm (DN) comprendido entre 20 y 50 mm.
Accesorios y elementos adicionales para calderas
Válvula con accionamiento manual
Válvula con accionamiento automático
Figura 6.7. Válvula de descarga rápida.
6.6.VÁLVU LAS DE PU RG A CO NTIN UA Cuando la purga de la caldera se hace de forma continua deben colocarse dos válvulas, la primera de cierre y la segunda con indicador de apertura o de otro tipo especial para su cometido. Los detalles de una válvula de purga continua se muestran en la Figura 6.8. Actuador manual
spira¡s:af'CO
Actuador electro- hidráulico
.
Actuador --neumático
Indicador Indicador Estopada
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manual práctico del operador de calderas industriales A toma de muestras
A toma de muestras
Figura 6.8. Válvula de purga continua.
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También es preciso eliminar las espumas en la zona de evaporación mediante una purga de superficie, porque las burbujas ocluidas en el vapor dificultan la transmisión de calor y además porque aumentan la posibilidad de arrastre de agua al vapor.La concen tración salina máxima la marcan las normas UNE-EN 12953-10 y UNE-EN 12952-12, para calderas pirotubulares y acuotubulares.
6.7. IN DICADO R ES DE NIVEL: G RIFOS Y CO LU M N A Los tubos y accesorios para la conexión del indicador de nivel con la caldera serán lo más cortos posibles y estarán dispuestos de tal forma que no quede entre la caldera y el indicador cavidad alguna sin drenaje de agua. Además, dichos tubos y accesorios no ten drán más salidas que las necesarias para los reguladores de amortiguación, reguladores de agua de alimentación, manómetros de vapor, purgas y otros equipos similares que no permitan el escape en cantidades significativas de vapor y/o agua (Figura 6.9).
Sello
Nlvelagua control modulante
Sello
Bola de seguridad
-Paro bomba o válvula abierta -Marcha bomba o válvula abierta -Primera alam,a de nivel bajo -Segunda alarma de nlvel bajo
Bo1a de seguridad
Figu ra 6.9. Detalle y esquema de funcionamiento de un indicador de nivel.
Los indicadores de nivel llevarán tapones, a efectos de limpieza, y llaves o válvulas de purga. El nivel mínimo de agua en el interior de una caldera debe mantenerse por lo menos 70 mm más alto que el punto más elevado de la superficie de calefacción. En las calderas acuotubulares, la distancia se tomará en relación al borde superior del tubo de bajada que esté situado en la parte más alta del calderín.
El nivel medio del agua estará situado, como mínimo, a 50 mm por encima del nivel límite definido. Tanto el nivel mínimo como el nivel medio se marcarán de modo bien visi ble sobre el indicador de nivel.
Accesorios y elementos adicionales para calderas
Las calderas de nivel de agua definido dispondrán de dos o más indicadores de nivel de agua (excepto en las que se cumple P x V 10, que dispondrán de un solo indicador), con la superficie frontal transparente y se montará de tal forma que la parte visible más baja de la superficie frontal transparente quede 70 mm, como mínimo, por encima del punto más alto de la superficie de calefacción. Las calderas cuyo P x V 10 estarán provistas de dos indicadores de nivel, inde pendientes entre sí, y las comunicaciones con el cuerpo de la caldera serán también independientes entre sí. Se admitirá una sola comunicación con la caldera para los dos indicadores de nivel distintos cuando la sección de la conducción sea como mínimo 50 cm2 para el líquido y 10 cm2 para el vapor. Los conductos de unión de los indicadores de nivel con las cámaras que contienen el líquido y el vapor serán, como mínimo, de 25 mm de diámetro interior; el radio interior de las curvas será, al menos, igual a 1,5 el diámetro del tubo y no deberá permitir la forma ción de sifones. Para conductos de unión rectos y de longitud inferior a 30 cm el diámetro interior del conducto podrá ser de 20 mm. Los indicadores de nivel deberán estar colocados en un sitio fácilmente visible para el personal encargado del mantenimiento de la caldera. Cuando los indicadores de nivel disten más de 8 m de la plataforma de conducción o del lugar donde permanezca nor malmente el operador de la caldera, esta deberá ir dotada de dos dispositivos indepen dientes que transmitan la posición del nivel de agua a un lugar que no diste del operador más de 4 m. En todas las calderas se utilizarán indicadores de nivel del tipo de caída refractara y se montarán de forma tal que permita fácilmente su comprobación, limpieza y sustitución. Todos los indicadores de nivel dispondrán de las correspondientes llaves que permi tan su incomunicación con la caldera y de un grifo de purga. El control del nivel de agua en una caldera es básico para la seguridad de la misma, ya que si por cualquier causa el nivel de agua en el interior de la misma descendiese de forma que las superficies de calefacción quedasen descubiertas, estas podrían in crementar la temperatura y alcanzar valores por encima de la de diseño de la caldera, provocándose en este momento su deformación o eventual rotura y los consiguientes daños a la caldera, o máquinas y personas que pudiesen existir en la sala de calderas. Es pues necesario disponer siempre de una buena visibilidad del nivel de agua en la caldera, manteniendo los indicadores de nivel en perfecto estado de servicio.
6.8. CONTROLES DE NIVEL POR FLOTADOR Y POR ELECTRODOS Cuando en una caldera se está generando vapor,su nivel tenderá a bajar y será necesa rio sustituir el agua que se ha convertido en vapor por agua nueva, para lo cual se precisa de una bomba, al estar la caldera a una presión superior a la atmosférica, de la forma que se muestra en la Figura 6.10.
manual práctico del operador de calderas industriales
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manual práctico del operador de calderas industriales
Figura 6.10. Ejemplo de control de nivel de caldera mediante electrodos.
Normalmente se emplean bombas centrífugas multietapa accionadas por un motor eléctrico. Aunque el operador podría controlar el nivel de la caldera manualmente, en función de la lectura del nivel visual, con una válvula manual o poniendo en marcha y parando la bomba, esta operación está automatizada. Para detectar el nivel de una forma automática se puede utilizar alguno de los si guientes métodos: • Flotador: la señal de salida puede ser todo-nada (mediante un switch magnético) o continua (mediante un cable inductivo acoplado eléctricamente a un imán unido al flotador). • Sensores por conductividad: montados verticalmente como los anteriores y sin partes móviles. Miden si el sensor está inmerso en agua (está en un medio con ductor) o no miden si está fuera del agua (está en un medio aislante). Se montan en grupos de 2, 3 o 4 en un solo alojamiento. • Sensores capacitivos: la diferencia con los anteriores es que dan una señal continua que varía con el nivel. El principio de funcionamiento está basado en el efecto capacitivo de una barra de metal aislado sumergida en el agua. Puesto que la constante dieléctrica del agua es muy elevada comparada con el aire o con el vapor, cuando el nivel del agua aumenta, la capacitancia de la barra en relación con la masa aumenta. Este aumento es el que se puede medir con un controlador electrónico. 118
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• Células de presión diferencial: se instalan de tal manera que en un lado de la célula haya siempre una columna de agua constante y en el otro lado otra columna pero de altura variable con el nivel. Para medir la deformación de la membrana y convertirla en una señal electrónica se utilizan métodos de capacitancia variable, inductivos u otros. Se utilizan principalmente en calderas de alta presión. Una vez que se ha detectado el nivel, hay que decidir el método para regularlo: Control todo-nada: el método de regulación más corriente es poner en marcha la bomba de alimentación por nivel bajo y pararla al alcanzar el nivel alto. Con un sensor de boya se instala un switch magnético con una banda muerta. Cuando es un sensor de conductividad hay que instalar dos, uno para la puesta en marcha y otro para la parada. Es un tipo de control muy usado para calderas hasta unos 8.000 kg/h de vapor,ya que es la opción más barata. Sin embargo, no es lo más conveniente puesto que el caudal relativamente impor tante de agua fría que llega, reduce la presión de la caldera obligando al quemador a marchas oscilantes de potencia con oscilaciones de hasta el 40 %. Esto provoca desgaste de los controles del quemador,ciclos de temperatura en la caldera, muy probables dismi nuciones de eficiencia y una curva de prestaciones en diente de sierra. Si las cargas son importantes aumenta la tendencia a provocar arrastres de agua y oscilaciones importan tes de nivel que pueden llevar a la parada por seguridad. Control modulante: en este sistema la bomba está continuamente en marcha y las demandas de vapor se compensan variando la apertura de una válvula de control situada entre la bomba y la caldera. Si está bien ajustado, este control puede proporcionar una marcha muy estable. Deben usarse sensores de boya con señal continua, capacitivos o de presión diferen cial. Hay que prever una recirculación de la bomba para evitar que se caliente cuando la válvula de regulación está totalmente cerrada. Cuando las calderas no tienen una supervisión constante (lo cual sucede en la mayo ría de calderas industriales) hay que instalar alarmas de nivel bajo que paren la caldera en caso de falta de agua. El nivel bajo puede ser debido a una falta de agua en el tanque de alimentación, a un fallo de la bomba de alimentación, aislamiento accidental de la línea de llegada de agua a la caldera o un fallo del propio sistema de control de nivel. El efecto de un nivel bajo de agua es que los tubos calientes no quedan cubiertos y refrige rados por el agua; la temperatura del metal crece rápidamente con lo que se reduce su resistencia y pueden abrirse o romperse. En general, las diferentes regulaciones de seguridad relativas al nivel de calderas imponen la medida de dos umbrales:
• El primer umbral para el quemador,permite que vuelva a ponerse en marcha si se recupera el nivel. • El segundo umbral también para el quemador pero este no puede ponerse de nuevo en marcha hasta que manualmente se ha desenclavado la alarma.
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Normalmente, no se especifican niveles altos por razones de seguridad. En gene ral, se instala esta alarma para parar la bomba de alimentación o impedir que vuelva a arrancar o cerrar la válvula de alimentación. Este tipo de alarma resulta muy conveniente cuando la caldera alimenta a una turbina de vapor,ya que si por un nivel alto en la calde ra se produce un arrastre de agua al vapor y las gotas de agua que llegan a la turbina, puede dañarla seriamente. Hay dos sistemas para instalar los controles de nivel y las alarmas: Cámaras externas: se requieren dos, una lleva el control de nivel continuo o todo nada más el primer umbral de alarma de nivel bajo; la otra lleva la alarma de nivel alto y el segundo umbral de alarma de nivel bajo. De este modo las dos alarmas de nivel bajo son independientes. Las cámaras externas pueden llevar válvulas secuenciales de purga y,opcionalmen te, válvulas de aislamiento del lado vapor. Las cámaras externas deben purgarse secuencialmente, dejando pasar vapor para que las limpie, una vez al día, a la vez que se prueban los dos umbrales de alarma de nivel bajo. Además, una vez a la semana hay que provocar los dos umbrales de modo real para verificar la correspondencia entre cámara y caldera. Tubos internos de protección: también se requieren dos con las mismas funciones que con cámaras externas, pero en este caso no hace falta instalar válvulas de aislamiento. Con ambos sistemas se exige la presencia del operador y el ensayo diario, que puede resultar caro, por lo que se han desarrollado controles de alta integridad (autoverifica bles). Estos controles nunca se instalan en cámaras externas, puesto que también se requeriría el soplado diario por razones de limpieza, sino que se hace con tubos internos de protección, que requiere que el test sea semanal y no es necesaria la presencia conti nua de un operador sino que únicamente debe haber alguien en la planta capaz de actuar si se produce una alarma. Siempre se instalan tres sondas de nivel de alta integridad. Una da un umbral de nivel bajo, la otra da el segundo umbral de nivel bajo y la tercera es la que regula (todo o nada o modulante) y da la alarma de nivel alto.
Disposiciones legales vigentes Las calderas automáticas de vapor,de agua sobrecalentada y de agua caliente, con nivel de agua definido, deberán estar provistas de dos dispositivos independientes que provo quen el paro del sistema de aportación calorífica inmediatamente antes de que el nivel de agua llegue al mínimo establecido. Uno de los dispositivos estará desfasado con relación al otro, a fin de que el segundo actúe como seguridad del primero. Cada uno de los dis positivos estará constituido por un emisor de señal accionado por medio de un flotador, termostato de marcha en seco o electrodo y por un mecanismo que, bajo este impulso, interrumpa la aportación calorífica. Estos
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Accesorios y elementos adicionales para calderas componentes del sistema de seguridad debe rán ser independientes y actuarán además sobre una señal acústica.
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Los dispositivos de seguridad indicados deberán ser independientes de todos los que aseguren la conducción automática de la caldera, y su papel se reducirá a interrumpir la aportación de calor y a advertir de la posición del nivel. No obstante, las calderas que, para la detección de nivel, utilicen un flotador como primera seguridad de falta de agua, podrán emplear dicho flotador para el mando automático del sistema de alimentación de agua. La eficacia de estos dos sistemas de seguridad se podrá verificar de una forma efectiva provocando su funcionamiento por una bajada voluntaria del nivel de agua de la caldera hasta el límite inferior de cada automatismo. La colocación de estos automatismos seguirá alguno de los siguientes sistemas: • Cámaras independientes para cada dispositivo, directamente unidas a la caldera o conectadas a una cámara común intermedia. • Cámara común, que aloje en su interior los dispositivos de control de nivel para mando del sistema automático de alimentación de agua y primera seguridad de falta de nivel, conectada a la caldera. La segunda seguridad estará instalada inde pendientemente de esta cámara o conectada a la misma. • Alojar los dos sistemas de seguridad en el interior de la caldera. En el caso de flo tadores y electrodos se dispondrán los correspondientes rompeolas a fin de evitar los movimientos del plano de agua en la zona del mecanismo detector. La acción de estas seguridades deberá ser imperativa, de tal forma que aunque retorne a su posición normal, la calefacción continuará bloqueada y seguirá funcionando la alarma acústica, necesitándose una acción manual del operador de la caldera para su nueva puesta en servicio, tras constatar la causa de la anomalía. • Cuando se utilicen electrodos de nivel como dispositivos de seguridad de nivel mínimo, se dispondrán dos electrodos de tal forma que la corriente eléctrica cie rre el circuito vía el segundo y no con la masa metálica de la caldera, y la tensión máxima entre fases no excederá de 24 voltios. Para las calderas inundadas se exi ge un control de nivel mínimo situado en el depósito de expansión y con calderas de fluido térmico también se exigen !imitadores de nivel. Las dimensiones de la cámara para instalación de los automatismos, de las tuberías de conexión, cableado eléctrico, etc.,pueden consultarse según el artículo 23 de la ITCAPL
6.9. LIMITADO R ES DE NIVEL TER M OSTÁTICOS Estos elementos, llamados también nivostatos, se utilizan para parar la combustión como segundo !imitador de nivel.
Su funcionamiento se basa en el cambio de temperatura que sufre un elemento su mergido en el agua y calentado por una resistencia. Cuando desciende el nivel de agua, el !imitador queda descubierto y deja de refrigerarse aumentando su temperatura, que es detectada por un termostato, que se encarga de abrir el circuito de mando del quemador. En su instalación debe preverse la correspondiente inercia de funcionamiento, por lo que deberá montarse por encima del punto de nivel en que se quiere que actúe.
6.10. BO M BAS DE AG UA DE ALIM ENTACIÓ N Las bombas son los elementos habituales de alimentación de agua a la caldera. El siste ma de alimentación de agua a la caldera podrá ser por medio de moto-bomba centrífuga o rotativa, inyector de vapor, caballete de vapor o turbina de vapor. El grupo moto-bomba centrífuga utiliza energía eléctrica. La bomba dispone de un impulsor o rodete con sus álabes que impulsa el agua al caudal y presión requeridos. Dentro del modelo de bombas, estas pueden ser centrífugas y centrífugas autoaspiran tes con un primer rodete autoaspirante. En la Figura 6.11se muestra una bomba centrífuga y un detalle interno de la misma.
Figura 6.11. Bomba centrífuga multirrodete.
Todas las calderas deben tener un sistema de alimentación de agua y las que utilicen combustibles sólidos no pulverizados dispondrán de dos sistemas accionados por una fuente de energía diferente. El sistema de alimentación de agua deberá poder inyectar una cantidad de agua igual a 1,5 veces la máxima que pueda evaporar la caldera (o batería de
calderas) que alimenta, excepto en las calderas automáticas en las que la cantidad de agua a inyectar
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deberá ser igual o mayor que 1,1veces la máxima que pueda evaporar la caldera, más la pérdida de agua por purgas. El agua se deberá poder inyectar a una presión superior en un 3 %, como mínimo, a la presión de precinto (antes de tarado) más elevada de las válvulas de seguridad, incrementada en la pérdida de carga de la tubería de alimentación y en la altura geométrica relativa. El sistema de alimentación podrá ser de acción continua o discontinua. En el caso de acción continua, la bomba de alimentación de agua estará continuamente en servicio y el caudal introducido vendrá regulado por una válvula automatizada y mandada por la acción del sistema controlador del nivel. En el caso de acción discontinua, el sistema detector del nivel actuará sobre la bomba de alimentación, parándola y/o poniéndola de nuevo en servicio, según las necesidades. Para las calderas automatizadas con nivel de agua no definido, el sistema de alimenta ción cubrirá la demanda de vapor de la instalación mediante bombas de tipo volumétrico. El agua de alimentación debe ser introducida en la caldera de tal manera que no descargue directamente sobre superficies expuestas a gases a temperatura elevada o a la radiación directa del fuego. No se autorizarán las bombas alimentadoras accionadas a mano, sea cual sea la categoría de la caldera. En las calderas de agua sobrecalentada, la alimentación de agua se llevará siempre al depósito de expansión y su caudal será siempre suficiente para la reposición de agua necesaria.
6.11. INYECTO R ES DE AG UA Son dispositivos de alimentación de agua en los que se utiliza la energía del propio vapor de la caldera para alimentar el agua necesaria mediante efecto Venturi, creado por una corriente de vapor a través de una tobera especial. Este sistema es válido para caudales de agua relativamente pequeños y presiones de hasta 12 kg/cm2 además de estar limi tado a una temperatura con agua fría. Es un sistema poco fiable y se ha venido utilizando como segundo sistema de alimentación cuando así lo ha requerido la legislación.
6.12. CABALLETES Y TU R BIN AS PARA AG UA DE ALIM ENTACIÓ N El caballete de vapor es una bomba de pistón de recorrido alternativo, accionado por vapor.La turbina de vapor sustituye al motor eléctrico para accionar la bomba centrífuga que alimenta de agua a la caldera. El caballete de vapor y la turbina se utilizan para alimentar a las calderas utilizando como fuente energética el vapor,solventando las limitaciones de los inyectores de vapor. El caballete es más fiable que el inyector de vapor y no tiene las limitaciones de caudal o presión, pero necesita agua fría o inferior a 100 ºC para trabajar sin que haya - cavitaciones.
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6.13. MANÓMETROS Y TERMÓMETROS Los manómetros y los termómetros son los elementos encargados de medir la presión y la temperatura, que son las dos variables más importantes en el proceso de generación de vapor o agua caliente en la caldera e instalaciones interconectadas con la misma.
6.13.1. Manómetros Los manómetros son los elementos encargados de medir la presión relativa. Los hay de muelle de tubo y de membrana. En la Figura 6.12 se muestra un manómetro junto a un transmisor de presión. Mien tras el primero da una lectura in situ, el segundo capta el valor de la presión y lo envía a un pupitre o a una consola.
Figura 6.12. Manómetro y transmisor de presión.
Toda caldera deberá disponer de un manómetro indicador de la presión del vapor, con un diámetro de esfera de 100 mm, unido directamente a la cámara de vapor.
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Accesorios y elementos adicionales para calderas
El manómetro debe estar unido con un sifón u otro dispositivo similar de capacidad suficiente para mantener el tubo del manómetro lleno de agua; será de suficiente calibre y,a ser posible, dispondrá de un sistema de purga.
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Las uniones del manómetro serán las adecuadas para la presión de servicio y la temperatura del vapor, previstas en la caldera. Los manómetros dispondrán de una escala graduada en las unidades apropiadas y con un margen adicional no inferior al 50 % de la presión de servicio; aunque es preferible que dicha escala sea válida para presiones de hasta dos veces la de servicio. En la escala se verá claramente marcada la presión de servicio máxima admisible en la instalación. Los manómetros serán, como mínimo, de sensibilidad de clase 4. En la Tabla 6.1se muestra la clase (exactitud) y el error máximo permitido del intervalo de medida de los manómetros. Tabla 6.1. Clase y error máximo permitido del intervalo de medidas de los manómetros (Orden ITC/3721/2006, de 22 de noviembre). Clase (exactitud)
Error máximo pe1mitido del intervalo de medida
0,1
± 0,1 %
0,25
± 0,25 %
0,6
± 0,6 %
I
± I%
1,6
± 1,6 %
2,5
± 2,5 %
4
±4 %
Por el tipo de construcción de los manómetros, la presión real que indican solamente es fiable en la zona central de su escala y no lo es ni al principio ni al final de la escala. Un manómetro de sensibilidad 4 es fiable en el rango de la escala del 25 al 75 %, por lo que la presión de servicio de la caldera debe estar en su zona central, siendo deseable entre el 60 al 65 % de su escala.
-T-
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Ejemplo 6.1.
11111 Se quiere medir correctamente la presión de una caldera que trabaja a 10 kg/cm•. Para ello, se elige un manómetro de presión 16 kg/cm• con sensibilidad 4, que según lo dicho, no es fiable entre O y 4 kg/cm• ni entre 12 y 16 kg/cm•, y como 10 kg/cm• es el 62,4 % de su escala, valor que está dentro del rango deseable del 60 al 65 %, podemos decir que el manómetro está bien seleccionado.
manual práctico del operador de calderas industriales
Los manómetros estarán montados sobre un grifo de tres direcciones con una placa brida de 40 mm de diámetro, donde poder sujetar un manómetro patrón para realizar las pruebas de la caldera. En el caso de calderas cuya presión lo requiera, en lugar de la placa-brida citada se dispondrá una conexión adecuada para la instalación de dicho manómetro patrón. En las calderas de agua caliente, el manómetro se reemplaza por un hidrómetro o indicador de altura de nivel de agua graduado en metros, visible desde el puesto de trabajo del operador de la caldera, para conocer en todo instante la presión estática de la instalación.
6.13.2. Termómetros Son los elementos encargados de medir la temperatura. Las calderas, economizadores, precalentadores de agua, sobrecalentadores y reca lentadores de vapor dispondrán de su correspondiente termómetro con una señal bien visible en rojo, que indique la temperatura máxima de servicio, excepto en las calderas automáticas de vapor saturado. Las calderas dotadas de sobrecalentador y/o recalentador deberán incorporar un termómetro indicador de la temperatura de vapor,con un diámetro de esfera de 100 mm como mínimo, unido directamente con la cámara de vapor por medio de un bulbo de inmersión de acero inoxidable. El termómetro irá unido a la caldera mediante rosca o bridas, adecuadas para las condiciones de presión y temperatura previstas.
6.14. P RESOSTATOS Y TERMOSTATOS Entre los dispositivos automáticos de seguridad exigidos por la legislación vigente para las calderas figuran los presostatos (!imitadores o reguladores de presión) y los termos tatos (!imitadores o reguladores de temperatura).
6.14.1. Presostatos Los presostatos son los elementos encargados de limitar la presión (entregan una señal apagado/encendido únicamente); no hay que confundirlos con los transmisores de pre sión, cuya función es entregar una señal variable en base al rango de presión, es decir, son meros medidores de la presión. Los presostatos se utilizan para: • Detectar una presión alta del fluido caloportante en calderas automáticas y ma nuales de vapor y calderas de circulación forzada de fluido térmico, en las que actúa mediante el bloqueo del sistema de aportación calorífica y operación de la alarma acústica; así como en calderas de recuperación de calor de los gases, en las que actúa (al detectar alta presión del fluido
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Accesorios y elementos adicionales para calderas caloportante) abriendo la válvula de bypass y disparando la alarma o señal acústica. • Detectar baja presión del combustible.
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• En calderas de circulación forzada de fluido térmico y agua sobrecalentada, sobre calentadores y recalentadores, se suele utilizar un presostato diferencial para de tectar cuándo el caudal del fluido caloportante está por debajo de su nivel normal. Dicho presostato diferencial actúa bloqueando el sistema de aportación calorífica. • En calderas automáticas de gas se incorpora un presostato para detectar los po sibles fallos del aire de combustión y, en caso de producirse estos, bloquear el sistema de aportación calorífica y disparar la alarma acústica.
6.14.2. Termostatos Los termostatos se utilizan para: • Detectar la falta de agua en calderas de vapor,por el bajo nivel del agua de la cal dera (en calderas de nivel definido), ya sea por la alta temperatura del vapor (en calderas sin nivel definido). En ambos casos, los termostatos actúan bloqueando el sistema de aportación calorífica y disparan una señal acústica. Se dispondrán dos termostatos, tanto en las calderas de funcionamiento manual como en las au tomáticas de vigilancia indirecta. En el caso de calderas automáticas de vigilancia directa se admite un solo termostato. • Detectar una alta temperatura del fluido caloportante, en calderas automáticas de agua caliente, de agua sobrecalentada y de fluido térmico, así como en so brecalentadores y recalentadores. El termostato actúa bloqueando el sistema de aportación calorífica y pone en marcha una señal acústica. • Detectar altas temperaturas del fluido caloportante en calderas automáticas de recuperación de calor de gases, en las que opera abriendo automáticamente la válvula de bypass. • Detectar bajas temperaturas del combustible, en calderas automáticas de com bustibles líquidos (pesados), actúan impidiendo su puesta en funcionamiento cuando se requiere. Cuando los sobrecalentadores y recalentadores de vapor dispongan de un sistema de aportación de calor independiente del de la caldera, y sean exteriores a la misma, deben llevar incorporados los correspondientes dispositivos de paro (termostatos) y re gulación del sistema de aportación calorífica, en función de la temperatura del vapor.
6.15. QUEMADORES
El quemador es el elemento donde tiene lugar el inicio de la combustión mediante la in flamación del combustible y el mantenimiento de su llama. Dicha combustión va muchas veces precedida de la preparación adecuada del combustible. La Figura 6.13 muestra un quemador de gas.
Figura 6.13. Quemador en fase de construcción.
Las partes principales de un quemador son: a) Entrada de gas, donde se conecta la tubería de gas mediante la tuerca roscada. b) Pulsador de válvula de seguridad, una vez encendida la llama piloto, se debe man tener pulsado unos segundos y al soltarlo debe quedar encendida la llama piloto. c) Llave de corte de gas al quemador, una vez encendida la llama piloto, al abrir esta llave encenderá el quemador (en la foto posición cerrada). d) Conexión termopar-válvula de seguridad. e) Entrada de aire primario, esta entrada se ajusta deslizando la chapa dorada que está en el cuerpo del quemador. f) Termopar de seguridad, debe recibir siempre la llama piloto. g) Salida de la llama piloto. h) Salida de la llama quemador,esta es la llama que entra en el hogar, su color indica si está bien ajustada la entrada de aire. i) Dispositivo de acople al suministro de gas, es de salida libre, en el mando rojo se ajusta la cantidad de gas (caudal y no presión). j) Válvula de ajuste de presión de gas por medio de membrana, además indica la presión gracias al manómetro.
Tipos de quemadores
Los tipos de quemadores que hay en el mercado se clasifican por el tipo de preparación del combustible y por el tipo de pulverización y, de acuerdo con esto, los distintos tipos de quemadores son:
Quemadores rotativos: la pulverización necesaria del combustible para obtener una mezcla íntima del mismo y el aire de combustión, se obtiene haciendo atravesar una corriente de aire primario a través de una película muy fina de combustible, obtenida por centrifugación del mismo por medio de una copa rotativa que normalmente gira entre 3.000 y 5.000 rpm. Quemadores neumáticos: el aire de pulverización (en ciertos casos, vapor) se in yecta al combustible antes de su llegada al hogar, siendo impulsada esta mezcla a pre sión elevada a través de un agujero calibrado denominado tobera, chiclé o pulverizador. Esta mezcla puede ser realizada en el propio quemador o antes del mismo (premezcla). Quemadores de presión, también denominados de pulverización mecánica: el combustible se inyecta a elevada presión, en función de la viscosidad del mismo, en un elemento calibrado, denominado chiclé o pulverizador,que por su diseño especial logra la pulverización del combustible. Hay diversos tipos de quemadores de presión: • De presión o pulverización • De presión con retorno. • De difusión con mezcla en tobera. • Rotativo. • Monobloque. En cuanto a las boquillas de quemadores, la pulverización puede hacer con vapor o por aire a media o alta presión. La gran variedad de quemadores que hay en el mercado hace que también puedan clasificarse de la forma siguiente: • Por el tipo de combustible: - Para combustibles gaseosos. - Para combustibles líquidos. - Para combustibles sólidos. - Para combustibles mixtos: a su vez pueden ser de dos tipos, de funcionamiento alternativo o convertible y de funcionamiento simultáneo. • Por su forma constructiva: - Compacto. - No compacto. • Por la forma de preparación del combustible: - Para combustibles sólidos. - Para combustibles gaseosos. - Para combustibles líquidos: o De gasificación. o De pulverización: .! Mecánica, que a su vez pueden ser: de Pulverización por salida del com bustible a presión a través de un orificio calibrado o de pulverización cen trífuga por medio de una copa rotativa. .! Fluido auxiliar,que puede ser de emulsión o neumático.
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• Por la forma de regulación: - Automáticos. - Semiautomáticos. - Manuales. Dentro de los automáticos y semiautomáticos, se distinguen los tipos siguientes: - De regulación todo-nada. - De regulación escalonada todo-poco-nada. - De regulación progresiva por escalones. - De regulación modulante (progresiva continua). • Por el tipo de encendido: - Manual - Automático: o Eléctrico. 0 Gas. o Líquido. • Por la aportación de aire al combustible: - Aporte por tiro natural. - Aporte artificial por dispositivos mecánicos. - Aporte artificial por dispositivos dinámicos: o Aspiración. oImpulsión. o Mixtos.
6.16. ELEMENTOS DEL EQUIPO DE COMBUSTIÓN El equipo de combustión está formado por el ventilador que suministra el aire de la com bustión, el sistema de encendido, el programador, las válvulas magnéticas, neumáticas y electroneumáticas, y la sonda de control de llama; todos estos elementos se detallan a continuación: 6.16.1. Ventilador de aire primario y secundario Los ventiladores son dispositivos mecánicos aspirantes o impelentes que aseguran la alimentación del aire comburente de la cámara de combustión. Deben cumplir las si guientes propiedades: • Resistir la erosión del aire y del polvo que este pueda contener. • Resistir sin deformación las temperaturas a las cuales pueda estar sometido. • Estar equilibrado estáticamente y dinámicamente • Poseer un dispositivo de engrase práctico y eficaz, procurando que sea seguro. Para mantener el proceso de la combustión es necesario el suministro continuo de aire, así como la evacuación continua de los gases de combustión. Esto se consigue
con el tiro que provocan los gases de la combustión por el efecto de la succión de la chime-
Accesorios y elementos adicionales para calderas
nea; pero el sistema más habitual es la instalación de ventiladores para proporcionar un tiro forzado, complementando cualquier clase de tiro natural disponible. Una caldera puede estar equipada con un ventilador de tiro forzado, uno de tiro inducido o con los dos simultáneamente para proporcionar una circulación controlable del aire para la com bustión y de los gases producidos por esta. Los ventiladores pueden ser axiales (tipo propela) o centrífugos, tal y como se puede observar en la Figura 6.14.
Ventilador axial
Ventilador centrifugo
Figura 6.14. Tipos de ventiladores.
En las calderas de tiro forzado puede haber uno o dos ventiladores según sea el diseño de la caldera o el tipo de combustión, mientras que en las calderas con hogar en sobrepresión puede eliminarse el ventilador de tiro inducido. Ventilador de aire primario: aporta el aire necesario para la formación de la llama que normalmente se introduce junto al combustible (caso de quemadores para combus tibles líquidos de copa rotativa o de pulverización neumática), por debajo del lecho del combustible (caso de quemadores tipo parrilla para combustibles sólidos) o por encima del lecho del combustible en ciertos sistemas de combustión para combustibles sólidos con un alto grado de volátiles. Ventilador de aire secundario: aporta el aire necesario para el mantenimiento de la combustión (caso de hogares en sobrepresión) o para la extracción de los gases de la combustión (caso de hogares en depresión). La entrada de aire en el hogar es por debajo del lecho de combustible o por encima del mismo en función del tipo de combustión elegido. 42
§
de ro
6.16.2. Sonda de control de llama Es un dispositivo que detecta la presencia o ausencia de la llama. En general, consta
131
manual práctico del operador de calderas un detector (con o sin amplificador) y la conexión al programador. industriales (1)
e o . ü
ii
132
6.16.3. Programador Es un elemento que organiza las secuencias del funcionamiento del quemador y su equi po según un orden preestablecido. Puede incorporar ciertos componentes del control de llama (amplificador con relé).
6.16.4.
Válvulas magnéticas, neumáticas y electroneumáticas
Son dispositivos que desconectan el quemador, mediante el paro del sistema de apor tación calorífica, cuando el parámetro que las controla alcanza valores distintos a los previamente establecidos para un funcionamiento correcto del equipo de combustión. Su denominación está en función del tipo de válvula empleada: eléctrico, magnético, neumá tico, electroneumático o electrohidráulico. Operan en caso de falta de energía eléctrica, de falta de presión de aire comprimido, de defecto de aceite o de agua, de combustible húmedo, y de cualquier otra condición anómala, haciendo que la aportación calorífica retorne a la posición de cierre.
6.16.5.
Sistema de encendido
El sistema de encendido es el mecanismo encargado de provocar la inflamación del com bustible. Este mecanismo puede ser operado automáticamente por medio de una señal recibida por algún órgano de regulación de la caldera o por medio de la acción manual del operario conductor de la caldera. En el primer caso se denomina sistema de encendido automático y en el segundo sistema de encendido manual. No se considera como sistema de encendido el hecho de encender el combustible por un sistema manual como puede ser la introducción en el hogar de una llama exterior al propio sistema de combustión. El sistema de encendido dispondrá de un medio para provocar el inicio de la combus tión. Suele ser con electrodos conectados a una fuente eléctrica de alta tensión, sobre el propio combustible a quemar o sobre un combustible auxiliar,cuya llama provocará el encendido del combustible principal. Esta llama auxiliar se denomina llama piloto y puede apagarse o no según sea el combustible principal a quemar o el tipo de combustión em pleado, es decir,la llama piloto será intermitente o permanente. Se denomina tiempo de encendido al intervalo de tiempo durante el que está en funcionamiento el mecanismo de encendido. Consta de las siguientes etapas o tiempos parciales: l. Pre-encendido, es el tiempo transcurrido entre el momento de puesta en mar cha del mecanismo de encendido y el momento de liberación del combustible del quemador o de apertura del paso de dicho combustible.
2. Encendido propiamente dicho, es el intervalo de tiempo comprendido entre la li beración del combustible del quemador y la aparición de una señal de llama dada por el dispositivo de detección de la llama.
3. Post-encendido, es el intervalo de tiempo comprendido entre la primera detec ción de la llama y la desconexión del mecanismo de encendido. Cuando se trata de un encendido automático permanente, el tiempo de encendi do corresponde al tiempo de funcionamiento del quemador. La secuencia de puesta en marcha en este caso se inicia al recibir el programador la orden de arranque desde un órgano de regulación (presión o temperatura), este inicia su programa para iniciar la combustión de acuerdo con las siguientes secuencias: l. Arranque del ventilador para realizar un barrido de los circuitos de gases de la combustión, con el fin de evacuar cualquier clase de inquemados que pudieran existir en los mismos, provenientes de la anterior combustión. 2. Formación de la chispa que debe iniciar la llama piloto o llama principal según sea el caso. 3. Apertura de la válvula magnética del circuito de combustible auxiliar (llama pilo to) o del combustible principal si no existe llama piloto. 4. Formación de la llama piloto y control de la misma por medio de la sonda de con trol de llama o formación de la llama principal si no existe llama piloto. 5. En el caso de que exista llama piloto y esta no se forme dentro de un tiempo programado, cierre de la válvula magnética de la línea de combustible auxiliar,el paso de la chispa y postbarrido del ventilador. 6. Si no existe llama piloto, la misma secuencia para el circuito de combustible principal. 7. Si se ha formado la llama piloto, orden de que se abra la válvula magnética del circuito de combustible principal, formación de la llama principal y detección por la sonda de llama correspondiente. 8. Si no se forma la llama principal dentro de un tiempo determinado, paro de la llama piloto y su chispa, cierre de la válvula magnética principal y postbarrido del ventilador. 9. Si se forma la llama principal, cierre de la válvula magnética del circuito del com bustible auxiliar (llama piloto) y paro de la chispa. 10. Si el proceso ha finalizado sin anomalías, el quemador queda encendido, con su llama formada y controlada en continuo por la sonda de llama, si por cualquier caso esta desapareciese, la sonda actuará sobre el programador, que dará la orden de cerrar la válvula magnética del circuito de combustible principal y el ventilador realizará el postbarrido del circuito de gases de la combustión.
6.16.6.
Disposiciones legales en relación con los elementos del equipo de combustión
En este apartado se muestra la legislación de los elementos de combustión en las calde ras automáticas de vigilancia indirecta, las de vigilancia directa y de los dispositivos de seguridad de las calderas automáticas.
133
Calderas automáticas bajo vigilancia indirecta Para asegurar, a intervalos regulares, la buena marcha de la caldera, se montará en el circuito eléctrico de la misma un dispositivo de paro automático que actúe sobre el sistema de calefacción si, tras un funcionamiento de dos horas, no se ha maniobrado el conmutador colocado en la sala de calderas. Se exceptúan de este requisito las calderas de vaporización instantánea. La señal acústica, accionada por los dispositivos de seguridad que indican una des aparición de la llama, falta de aire de combustión en las calderas que utilicen combus tibles gaseosos, falta de nivel, una sobrepresión o temperatura superior a la máxima de servicio, deberá repetirse en el lugar en que el conductor de la caldera se encuentre habitualmente y desde dicho lugar deberá poderse bloquear el sistema de calefacción de la caldera y no podrá volver a ponerse en servicio sin que previamente medie una acción manual dentro de la sala de calderas y hasta no haber comprobado la desaparición de la causa que ha perturbado su normal funcionamiento.
Calderas bajo vigilancia directa El operador de cada turno vigilará el funcionamiento de la caldera en la sala de calderas o en la sala de control. Las calderas automáticas dispondrán del correspondiente dispositivo de paro del sistema de aportación calorífica (generalmente válvulas), que interrumpirá dicha aporta ción (llegada del combustible) en el momento de recibir la señal de cierre. Los sistemas de mando automático serán del tipo eléctrico, electroneumático o electrohidráulico. Su número, tipo y disposición dependerán de la potencia térmica del quemador, del tipo de este y del tipo de combustible empleado. El encendido de cada quemador deberá efectuarse a su caudal mínimo. El reglaje de los quemadores estará en función de la potencia de los mismos, para potencias de hasta 860.000 kcal/h por quemador se podrán utilizar quemadores de reglaje todo-nada, Desde 860.000 kcal/h hasta 3.000.000 kcal/h podrán emplearse quemadores de regla je todo-poco-nada (dos marchas) o progresivos (modulante, deslizante o por escalas) y para potencias superiores a 3 x 106 kcal/h deberán utilizarse quemadores con regula ción progresiva modulante. Las calderas automáticas deberán disponer de sus respectivos dispositivos de seguridad: • De presión máxima del vapor o de temperatura máxima del líquido. • De seguridad concerniente a la evacuación de humos. • De seguridad de llama. • De seguridad ante la falta de nivel de líquido. • De seguridad de aire de combustión para combustibles gaseosos.
• De seguridad de encendido para quemadores con encendido automático.
manual práctico del operador de calderas industriales
• De seguridad relativa al tipo de combustible empleado. • De los requisitos comunes de seguridad (conexión a masa, etc.). En el caso de aportación calorífica por medio de combustibles líquidos y gaseosos, o sólidos pulverizados, cada quemador estará provisto de un dispositivo de detección de llama (sonda de control de llama). El tiempo de respuesta entre el momento en que la llama des aparece y el momento en que la alimentación de combustible es interrumpida será función de la potencia del quemador y del combustible empleado, variando entre 1segundo (para combustibles gaseosos y quemadores de potencias superiores a 300.000 kcal/h) hasta 10 segundos, como máximo, en el caso de combustibles líquidos y sólidos pulverizados quema dos con quemadores de potencia igual o inferior a 80.000 kcal/h. Por otra parte, el ventilador del quemador solo asegurará el postbarrido para potencias superiores a 3 x 106 kcal/h. Cuando utilizando combustibles gaseosos, la alimentación de aire en los quemadores se efectúa mediante ventiladores, existirá un dispositivo de seguridad sobre cada ven tilador para impedir la combustión en ausencia de caudal de aire, bloqueando la llegada de combustible gaseoso. En calderas que utilicen quemadores automáticos, el encendido comprenderá las siguientes operaciones: • Barrido: consiste en evacuar la totalidad de los gases que hayan podido quedar en el circuito de humos y se iniciará coincidiendo con la señal de puesta en mar cha. El tiempo de barrido vendrá dado por el fabricante, y se producirá con el dispositivo de reglaje de aire abierto en la posición de caudal suficiente. • Sistema de encendido: una fuente de calor de pequeña potencia calorífica pro vocará el encendido del combustible principal. • Apertura de las válvulas automáticas del combustible principal: una vez que el sistema de encendido produzca su fuente de calor,en la operación de encendido de cada quemador,el dispositivo de seguridad de la llama interrumpirá la alimen tación del combustible cuando la llama principal no se establezca en los tiempos máximos previstos para cada tipo de combustible y en función de que el quemador incorpore o no ventilador. • Tentativa automática de reencendido: no se permitirá ninguna tentativa auto mática de reencendido después de un fallo de encendido; para poder realizar un reencendido se procederá a subsanar la causa de la anomalía y se empezará de nuevo un ciclo de encendido, comenzando con el prebarrido. • Sistema de encendido con una llama auxiliar: cuando el sistema de encendido utilice una fuente de calor mediante una llama auxiliar (llama piloto), el dispositivo de seguridad de la llama deberá cortar también la alimentación de combustible a esta llama auxiliar si su desaparición anormal se prolonga más de 10 segundos como mínimo.
142
Accesorios y elementos adicionales para calderas • Después del encendido del quemador principal: el sistema de encendido po drá quedar fuera de servicio.
135
• Caso de haber varios quemadores de encendido no simultáneo: cuando haya varios quemadores de encendido no simultáneo montados en una misma cámara de combustión, las condiciones indicadas se refieren al que está programado para que encienda en primer lugar, pero los restantes quemadores cumplirán igual mente todas las condiciones con excepción de la de barrido. • Conexiones a masa: con el fin de evitar tensiones eléctricas parásitas, trastor nos por retornos eléctricos, electricidad estática y otros fenómenos análogos, tanto la caldera como su equipo de combustión y el cuadro de maniobra deberán disponer de conexiones a masa para reducir su potencial a cero. • Uso de combustible líquido o gaseoso: las calderas y recalentadores que uti licen combustible líquido o gaseoso como elemento de aportación calorífica dis pondrán de las correspondientes mirillas de materiales y colores adecuados a las condiciones de trabajo para permitir una buena visión de la llama. • Todas las calderas automáticas y recalentadores: dispondrán de un dispo sitivo adecuado para evitar que su sistema de aportación calorífica se ponga de nuevo en servicio tras cesar el fallo de corriente eléctrica que interrumpiera, en su caso, dicho servicio. En estos casos, será necesaria una acción manual. • Sistema de relojería: en ningún caso se adoptará la puesta en servicio de la caldera o el recalentador mediante un sistema de relojería. • Aporte calorífico máximo: en ningún caso se superará el aporte calorífico máxi mo indicado por el fabricante de la caldera o equipo a presión de que se trate.
6.17. ESTACIÓN DE REGULACIÓN Y MEDIDA PARA GAS El elemento de la instalación que sirve de puente entre la red general de suministro de gas y la caldera se denomina estación de regulación y medida. 6.17.1. Generalidades La estación de regulación y medida (ERM) tiene la función de regular la presión del su ministro de gas al quemador y medir la cantidad de gas suministrada a la instalación. El gas natural suministrado al quemador de una caldera o de una turbina de gas debe tener unas condiciones de presión y temperatura dentro de un rango especificado y con el grado de limpieza adecuado. A efectos de facturación del combustible consumido, el caudal de gas, el poder calo rífico y la composición química del mismo deben ser medidos igualmente.
Las principales funciones de la estación de gas son: • Que el gas que reciba el quemador tenga una presión constante y dentro de unos rangos muy concretos ya que la presión del gas suministrado a la ERM puede variar dependiendo del gaseoducto que alimenta. Si la alimentación es a través de depósitos propios la regulación es más fácil, al no haber otro consumidor que pueda alterar la presión de dicho gaseoducto si variara bruscamente el consumo.
manual práctico del operador de calderas industriales
• Que la temperatura sea la adecuada, para evitar la formación de hielo si se con densa el vapor de agua. • Que el gas se reciba limpio, sin partículas que puedan obturar el quemador. • Que el caudal y la composición puedan medirse. 6.17.2. Elementos constitutivos de una estación de regulación y medida En la Figura 6.15 se muestra el diagrama de bloques del proceso que tiene lugar en una estación de regulación y medida (ERM). 1- Acometida interior 2- Red de distribución interior F-
G)
@ G-
Filtro para el gas natural RM. Regulador monitor RP. Regulador principal VIS - Válvula interruptora de seguridad VES -Válvula de escape y seguridad Contador CCorrector
Figura 6.15. Esquema de una ERM.
Los elementos de una estación de regulación y medida típica están definidos en la norma UNE 60620-2005, siendo los más significativos los siguientes: • Filtros: para limpiar el gas de las posibles impurezas sólidas que pueda contener. Los hay de varios tipos (de cartucho, ciclónicos, etc.) y se colocan en la ERM y a la entrada de los quemadores de caldera y turbina de gas. • Válvulas reductoras de presión: para evitar que la presión del gas sea mayor que la que se necesita en el quemador se colocan unas válvulas reductoras de presión hasta ajustarse a la necesaria. • Compresor: si el gas de la línea de suministro tiene una presión inferior a la ne cesaria, será necesario instalar un compresor para alcanzar la presión requerida. Es posible que subsistan los dos sistemas (compresión y expansión) en la misma ERM, ya que la presión del gas de entrada a la ERM puede fluctuar. • Sistema de precalentamiento: para elevar el punto de rocío, debe disponer se de un sistema de calefacción para evitar congelaciones del agua que pudiera contener el gas. Hay que tener en cuenta que ante una expansión, el gas pierde temperatura. Si como efecto de una expansión la temperatura
146
Accesorios y elementos adicionales para calderas
bajara por debajo del punto de rocío, el agua contenida podría congelarse, provocando la formación de partículas de hielo, que se comportarían como proyectiles en la turbina de gas. El gas se calienta ligeramente, hasta alcanzar los 15 o 20 ºC.
13i'
• Sistema de calentamiento: para la inyección del gas al quemador antes de en trar en la caldera o en la turbina, y para una correcta combustión, el gas vuelve a calentarse hasta alcanzar temperaturas entre 25 y 140 ºC. Para este calentamien to suele emplearse vapor del ciclo, utilizando intercambiadores, o bien calentado res eléctricos. • Caudalímetro y cromatógrafo: los caudalímetros miden el caudal de gas consu mido. Pero el gas no se factura por volumen o peso, sino por energía (actualmente se factura por kW x h), por tanto, es necesario saber cuál es el poder calorífico del gas, por ello se emplean los cromatógrafos, que facilitan la composición del gas. En la Figura 6.16 se muestran algunos de estos elementos. By-Pass
Corrector
Reductora de presión
\
\\\/ f\·,
Torna de tierra
Contador
'' '
l.inea p rincipal
Figura 6.16. nstalación tipo de una ERM.
•• La calidad del agua que alimenta a la caldera está directamente relacionada con su conservación y con la eficiencia de la operación de la misma, por esta razón, en la presente unidad se muestran los parámetros que hay que conocer y controlar,así como las tablas de las normas UNE que fijan los valores a considerar. También se describen los elementos e instalaciones que permiten alcanzar los valores de las con centraciones de iones recomendados, así como los problemas provocados por un mal tratamiento del agua de alimentación.
Contenidos 7.1.
Características del agua para calderas: dureza, pH, oxígeno, aceite, salinidad
7.2.Descalcificadores y desmineralizadores 7.3.Desgasificación térmica y por aditivos 7.4.Regulación del pH 7.5.Recuperación de condensados. Purgadores 7.6.Régimen de purgas a realizar 7.7.Problemas provocados por un mal tratamiento del agua de caldera
manual práctico del operador de calderas industriales
7.1. CARACTERÍSTICAS DEL AG UA PARA CALDERAS: DU R EZA, PH, OXÍG EN O, ACEITE, SALINIDAD El agua de alimentación a la caldera es la que se introduce con el fin de convertirla en va por.Es la suma del agua de nueva aportación y de los condesados, cuando se recuperan. Tanto el agua de nueva aportación como los condesados tienen una serie de impure zas que hay que eliminar o controlar dentro de ciertos límites. La Tabla 7.1muestra las impurezas y sus efectos sobre la caldera. Tabla 7.1. mpurezas del agua de nueva aportación y sus efectos. Impureza
Fórmula
Estado
Efectos
Dióxido de carbono
co,
Gas
Corrosión
Oxígeno
o,
Gas
Corrosión
Sólidos en suspensión
MES
Sólidos no disueltos (turbidez)
Depósitos, espumas y arrastres en el vapor
Materia orgánica
MO
Sales disueltas y sólidos no disueltos
Depósitos, espumas y arrastres en el vapor
Coloidal
Depósitos, espumas y arrastres en el vapor
Aceite Acidez
H+
Dureza
Ca++, Mg++
Sales disueltas
Incrustaciones
Alcalinidad
co,2-, co2, H+, oH-
Sales disueltas
Espumas, arrastres en el vapor, desprendimiento de C02 , fragilidad cáustica
Sales disueltas
Depósitos, espumas y arrastres en el vapor
Salinidad (TSD)
Corrosión
Sulfatos
so.z-
Sales disueltas
Aumento salinid ad con Ca+ + forma incrustaciones muy duras
Cloruros
c1-
Sales disueltas
Aumento salinidad y corrosividad
Sílice
Si02
Sales disueltas o coloidal
Incrustaciones y depósitos sobre turbinas u otros elementas de la instalación
Hierro, Manganeso
Fe, Mn
Sales disueltas o insolubles
Depósitos
Cobre
Cu
Sales disueltas o insolubles
Depósitos y corrosión
l '10
Los parámetros a controlar en el agua para la caldera son los siguientes: • Dureza (TH) Es la concentración de sales cálcicas y magnésicas del agua. Se expresa en mili gramos por litro del contenido de sales de calcio y magnesio expresados como C03Ca (1mg/1 o 0,1ºHF -grados franceses-). Dureza (mg/1 de CaCO) = 2,50 [Ca++] + 4,16 [Mg++ J Donde: [ca++]: concentración de ion ca++ expresado en mg/1 [Mg++J: concentración de ion Mg++ expresado en mg/1. Los coeficientes se obtienen de las proporciones entre la masa molecular del CaC03 y las masas atómicas respectivas son 100/40 para el ca++ y 100/24 para el Mg++. Se determina en laboratorio por el "método del jabón" o por "valoración colorimétrica". • Alcalinidad total (m) (TAC) La alcalinidad m es la concentración de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos disuel tos en el agua, expresada en miliequivalentes por litro, meq/1 (1TAC = 5 m).También se llama "alcalinidad a la helientina" o "alcalinidad al metil orange". • Alcalinidad parcial (p) (TA) La alcalinidad p es la concentración de hidróxidos y la mitad del contenido de carbo natos disueltos en el agua, expresada en miliequivalentes por litro, meq/1 (1TA = 5 p). También se llama "alcalinidad a la fenolftaleína". El valor de la alcalinidad total en el agua de la caldera es la concentración de carbo natos, bicarbonatos, hidróxidos, silicatos y fosfatos, expresada en miligramos por litro de C03Ca (1meq/1 = 50 ppm C03Ca = 50 mg/1 C03Ca). • Sales de ácidos fuertes (SAF) El SAF es la concentración de cloruros y sulfatos en el agua, que son sales normal mente existentes. Los cloruros pueden determinarse por valoración y los sulfatos por diferencia al SAF. • Total de ácidos fuertes (TAF) El TAF es el total de ácidos fuertes, HCI (ácido clorhídrico) y H2S04 (ácido sulfúrico), que se encuentran en el agua a pH inferior a 4,3. • Contenido de C02 (dióxido de carbono) Expresa la cantidad de dióxido carbónico (C02) disuelto en el agua, expresado en mg/1 (ppm). • Contenido de Si02 (dióxido de silicio) Expresa la cantidad de dióxido de silicio (Si0 2) disuelto en el agua, expresado en mg/1 (ppm). La mayoría de las aguas naturales contienen sílice en concentraciones de 1a 100 ppm formando incrustaciones muy duras en calderas de alta presión y
cuando es arrastrada en parte con el vapor, se deposita en los álabes de las turbinas de vapor, produciendo desequilibrios en el rotor.
Tratamiento de agua de calderas • Contenido de oxígeno Expresa la cantidad de oxígeno (02) disuelto en el agua, expresado en mg/1 (ppm). Se encuentra preferentemente en aguas superficiales y apenas aparece en aguas de pozo. El oxígeno es corrosivo, sobre todo en valores bajos de pH. La determinación del oxígeno disuelto debe realizarse con mucha precaución a la hora de tomar muestras. El contenido máximo de 02 disuelto en agua a 20 ºC y a presión atmosférica es de 9,2 mg/1. • Contenido de sodio Las sales de sodio son muy solubles en agua y solamente precipitan a muy elevadas concentraciones. La determinación del sodio no se suele realizar como elemento separado. • Contenido de hierro Las aguas de pozo suelen contener hierro en forma de bicarbonato ferroso. El agua de pozo es clara y sin color,pero al mínimo contacto con el oxígeno de la atmósfera toma un color amarillento o rojizo porque el hierro se oxida a óxido férrico, que es insoluble en agua. El contenido de hierro (fe3+) rara vez es superior a 5 ppm, pero a partir de 0,3 ppm comienza a originar problemas. • Contenido de manganeso Suele presentarse en agua de pozo con menos frecuencia que el hierro, pero da lugar a precipitados con la formación consiguiente de depósitos a partir de 0,2 ppm. • Materia orgánica Es una mezcla compleja de sustancias que no puede determinarse por análisis quími cos y cuya medida se efectúa mediante índices, siendo los más utilizados: - Índice de permanganato (MO, materia orgánica): indica el consumo de perman ganato potásico, expresado en mg/1 de Or - Índice de dicromato (DQO, demanda química de oxígeno): indica el consumo de dicromato potásico exprexado en mg/1 de Or • Salinidad (TSD) El TSD es la concentración del total de sólidos disueltos en el agua, expresada en miligramos por litro. • Turbidez Turbidez es la concentración de materias en suspensión (coloidal o no) en agua. La opacidad del agua es una comparación con un patrón; es un índice de la cantidad de luz que pasa a través de una muestra. Habitualmente se mide en: - mg/1 de Si02 comparado con soluciones estándar de Si0 2 • - JTU o UJT (unidades Jackson de turbidez). Numéricamente las dos expresiones pueden considerarse iguales. • Conductividad eléctrica Conductividad eléctrica es la propiedad del agua de conducir la corriente eléctrica entre dos electrodos sumergidos, expresada como la concentración en gases y sales ionizables; se mide en microohmios por centímetro (µmho/cm =
1'153
manual práctico del operador de calderas industriales µS/cm), que es la in versa de la resistencia en megaohmios medida entre caras de 1cm2 de sección, opuestas
1'-12
y distantes 1cm entre sí, en una disolución de cloruro sódico de 0,4 mg/1 a 25 ºC de temperatura, exenta de C02 o NHr La conductividad eléctrica del agua de la caldera se determina neutralizando previa mente la muestra a pH = 7 con ácido gálico. El valor obtenido es orientativo acerca del contenido total de sales disueltas pero resulta muy útil para el control de cambio auto mático en las cadenas de desmineralización. • pH Es la inversa del logaritmo de la concentración de iones hidrógeno, W. pH = -log [W] Es un número adimensional que varía entre O y 14, que expresa el grado de acidez o de alcalinidad del agua. Una disolución acuosa a una temperatura de 25 ºC presenta los siguientes valores: pH < 7 el medio es ácido pH = 7 el medio es neutro pH > 7 el medio es alcalino Se mide con un pHmetro y eventualmente con el papel de tornasol. • Total de sales disueltas en el vapor Las sales que se incorporan al vapor en los arrastres pueden provenir de: a) Arrastres durante la vaporización: • Sílice en el vapor: esta sílice aparece principalmente por la vaporización de la sílice disuelta en el agua de la caldera. Este tipo de arrastre depende de la presión de servicio y del pH del agua de caldera. • Arrastre en el vapor: es la suma de los compuestos de sodio contenidos en el vapor saturado. b) Arrastre mecánico: Es la cantidad de materia, disuelta o no, incorporada en las gotas de agua que arrastra el vapor saturado. Para calcular el total de las sales disueltas en el vapor saturado (TSD), excluido el Si02, se parte de una muestra de agua de caldera y una muestra del vapor, se mide el TSD de la muestra de agua y las cantidades de sodio existentes en la muestra de agua y en la muestra de vapor y con estos tres valores se aplica la ecuación siguiente: Na Donde: TSD = ------ X
e n
en e1 vapor
Na caldera en el agua de caldera
en e1 agua de
e l v a p o r
TSD en el : Na vapor en el : vapor
total de sólidos disueltos en el vapor cantidad de sodio en el vapor
Tratamiento de agua de calderas
Na en el agua de : cantidad de sodio en el agua de caldera TSDen ei agua de caldera: total de sólidos disueltos en el agua de caldera • Aceites y grasas La presencia de aceite y grasas en calderas, aún en pequeñas cantidades, provoca for mación de espumas, que a su vez originan arrastres, disminución de la transmisión calorífica y aglomeración de sedimentos e incrustaciones, que son la causa de pérdidas de rendimien to, recalentamientos y deformaciones del material de la caldera con graves consecuencias económicas y de seguridad. Los tratamientos internos para combatir la acción del aceite que ya ha penetrado en caldera son poco efectivos, por lo que hay que evitar la contaminación del agua de entrada (lubricantes, fuel, condensados, etc.), si se ha producido este problema debe recurrirse a su "hervido", de igual forma como se hace con las calderas nuevas. • Gases disueltos Los gases de mayor repercusión en el proceso de vaporización son el oxígeno disuel to en agua y el dióxido de carbono procedente de la descomposición de los bicarbonatos que por efectos del calor acaban con la presencia de ácido carbónico en los condensados y el amoníaco. En la Tabla 7.2 se muestran los diferentes contaminantes, los problemas que ocasionan y los medios de tratamiento para evitarlos. Tabla 7.2. Problemática del tratamiento del agua. Constituyentes l. Acidez
mineral libre
Fórmula química SO4H 2, CIH, etc. expresados como C03Ca (disueltos)
Problemas que causan (efectos) Corrosión.
Medio de tratamiento Neutralización por álcalis.
2. Ácido sulfhídrico H2 S (gas disuelto)
Olor a huevos podridos, Aireación. Cloración. Intercambio aniónico básico. corrosión. Coagulación con sales de hierro.
3. Alcalinidad
Bicarbonatos (HCO3-} Carbonatos (CO/-) Hidróxidos (OH-)
Espuma y arrastres de sólidos con el vapor. Fragilidad cáustica. Los bicarbonatos y carbonatos producen CO, en el vapor siendo una -fuente de corrosión en las tuherías de condensado.
4. Amoníaco
NH3 (gas disuelto)
Ablandamiento con cal y sosa en frío o caliente. Ablandamiento con zeolitas (H+). Desmineralización y desalcalinización por intercambio aniónico. Precipitación con cal. Neutralización con ácido. Corrosión de aleaciones Intercambio iónico con zeode cobre y zinc forman- lita (1-r+). Cloración. Desaido iones complejos so- reación. Absorción por cierlubles. tas arcillas (clinoptilotita).
manual práctico del operador de calderas industriales Constituyentes
Fórmula química
Problemas que causan (efectos)
Medio de tratamiento
5. Aluminio
A 1 +++ (sólido disuelto) Normalmente presente como resultado de arrastres de flóculos del clarificador. Puede causar depósitos en los sistemas de refrigeración y contribuye a incrustaciones complejas en calderas.
6. Cloruros
CJ· (sólidos disueltos)
Aumenta el contenido Desmineralización. Evapode sólidos e incrementa ración. Osmosis inversa. el carácter corrosivo del agua.
7. Dióxido de
C02 (gas disuelto)
Corrosión en tuberías de agua y principalmente en tuberías de vapor y condensado.
Aireación. Desgasificación. Intercambio iónico (sosa). Neutralización con álcalis. Precipitación con cal
8. Dureza
Sales Ca y Mg expresadas como CaC03 (sólidos disueltos)
Fuente principal de incrustaciones en equipos intercambiadores de calor, calderas, tuberías, etc.
Ablandamiento. Desmineralización. Tratamiento interno del agua de calderas. Agentes protectores de superficie . Precipitación con cal, C03Na 2 .
9. Fluoruros
F- (sólidos disueltos)
Empleado para la higiene dental No tiene gran influencia en la industria.
Absorción con Mg (OH), y fosfato de calcio. Coagu: !ación por alúmina. Intercambio aniónico.
10. Hierro
Fe++ (ferroso) Fe+ ++ (férrico) (sólidos disueltos)
Colorea el agua, fuente de depósitos en tuberías de agua, calderas, etc. Interfiere en industrias de colorantes, taninos, papel , etc.
Aireación. Coagulación y filmación. Tratamiento con cal Intercambio catiónico. Filtración agentes para la retención del hierro .
11. Manganeso
Mn++ (sólido disuelto)
Colorea el agua, fuente de depósitos en tuberías de agua, calderas, etc. Interfiere en industrias de colorantes, taninos, papel , etc.
Aireación. Coagulación y filmación. Tratamiento con cal Intercambio catiónico. Filtración agentes para la retención del manganeso.
12. Nitratos
No; (sólido disuelto)
Aumenta el contenido Desmineralización. de sólidos. Se emplea para control de la fragilidad del metal de caldera.
carbono
1"'16
Mejorar las operaciones de clarificación y filtración. Intercambio iónico (CINa y ácido).
Tabla 7.2. Problemática del tratamiento del agua (continuación) Constituyentes 13. Oxígeno
Fórmula quimica O2 (gas disuelto)
14. pH
Problemas que causan (efectos) Corrosión de tuberías de agua, eqmpos de intercambio de calor, calderas, tuberías de retorno, etc.
Medio de tratamiento Desgasificación a vacío y/o térmica. Sulfito sódico o hidrazina. Inhibidores de corrosión.
El pH varía de acuerdo El pH puede aumentarse con la acidez o alcalini- por álcalis y decrecer por dad de los sólidos en el ácidos. agua. Las aguas naturales tienen un pH entre 6 y 8.
15. Sílice
SiO, (sólido disuelto), a veces coloidal
Incrustaciones en calderas y sistemas de torre de refrigeración. Depósitos insolubles en álabes de turbinas debido a la vaporización de la sílice de coagulación.
Eliminación en caliente con magnesio. Absorción por resinas aniónicas altamente básicas en conjunción con la desmineralización .
16. Sodio
Na+ (sólidos disueltos)
Aumenta el contenido Desmineralización . Evapo de sólidos disueltos. ración . Ósmosis inversa . Cuando se combina con OH- causa corrosión en calderas bajo ciertas condiciones.
17. Sólidos disueltos
Es una medida de la cantidad de materia disuelta determinada por evaporación. Alta concentración de sólidos disueltos en calderas no deseable, pues forman espumas en calderas y depósitos en turbinas.
Varios procesos de ablan damiento, tales como ablandamiento con cal e intercambio catiónico con zeolita (H+)_ Desminerali zación .
18. Sólidos en suspensión
Es una medida de la materia no disuelta determinada gravimétricamente. Los sólidos en suspensión pueden causar depósitos en equipos de intercambio de calor, calderas, tuberías , etc.
Sedimentación. Filtración , normalmente precedida de coagulación y sedimenta ción. Clarificación.
Constituyentes
Fórmula química
19. Total sólidos
Problemas que causan (efectos)
Medio de tratamiento
Es la suma de los dos Ver 17 y 18. anteriores, determinada gravimétricamente.
sor
Aumenta el contenido Desmineralización. de sólidos, combinado Tratamiento masivo con cal con calcio forma o cal-aluminato. incrus- taciones muy duras.
21. Turbidez
(sólidos no disueltos)
Da una apariencia
22. Color
(sólidos disueltos o no disueltos)
Espuma , arrastres y en- Coagulación, cloración. Filsuciamiento. Interfiere tración por carbono en métodos de precipita- activado. ción tal como eliminación de hierro, ablandamiento con fosfato en caliente. Puede manchar productos.
23. Materia orgáruca
(sólidos disueltos o no disueltos)
Espuma , arrastres y en- Coagulación, cloración. Filsuciamiento . Ensucia- tración por carbono activamiento de resmas de do. intercambio iónico.
24. Conductividad
Expresada en microohmios
La conductividad es el resultado de los sólidos ionizables en solución. Alta conductividad puede aumentar las características corrosivas de un agua.
25. Aceite
Coloidal
Depósitos-espumas. In- Separadores, filtros. Coagucrustaciones, lodos y es- !ación y filtración. Filtración pumas en calderas. Reca- con tierras de diatomeas. lentamientos localizados, impide intercambio calor. Indeseable en todos los procesos.
20. Sulfatos
(sólidos disueltos)
l '18
Cualquier proceso que dismmuya sólidos disueltos decrecerá la conductividad. Ejemplos son la desmineralización y el tratamiento con cal.
Características del agua para calderas Las características que debe cumplir el agua para calderas están descritas en las normas UNE, de las que a continuación se muestran unas tablas resumen. A) Calderas pirotubulares: según Norma UNE-EN 12953-10. Agua de alimentación (agua de nueva aportación): Norma UNE-EN 12953-10 Tabla 5.1. Agua de alimentación para calderas de vapor (excepto el agua de pulverización del desrecalentador) y calderas de agua caliente. Parámetro Presión de servicio Apariencia Conductividad directa a 25 ºC
Unidades Bar ( 0,1 MPa) -
µS/cm
Agua de alimentación para calderas de vapor > 0,5 a 20
> 20
Agua de relleno para calderas de agua caliente Intervalo total
Clara, libre de sólidos en suspensión No especificada , solo hay valores guía correspondientes al agua de caldera , véase la Tabla 5.2
-
> 9 ,2 (b)
> 9,2(b)
> 7,0
mmol/1
< 0,01<'>
< 0,01
< 0,05
Concentración de hierro (Fe)
mg/ 1
< 0,3
< 0,1
< 0,2
Concentración de cobre (Cu)
mg/ 1
< 0,05
< 0,03
< 0,1
Valor del pH a 25 °c<•> Dureza total (Ca'+ y Mg'+)
No especificada , solo hay valores guía, correspondientes al agua de caldera. Véase la Tabla 5.2.
Concentración de sílice (SiOJ
mg/ 1
Concentración de oxígeno (O,)
mg/ 1
< 0,05<•>
< 0,02
-
Concentración de aceite/grasa (véase la Norma EN 12953-6)
mg/1
Concentración de sustancias orgánicas (como COI)
-
-
Véase nota<•> al pie de tabla
<•> Con aleaciones de cobre en el sistema, el valor del pH debe mantenerse en el intervalo 8,7 a 9,2. Ch> Con agua ablandada de valor de pH > 7,0 debería considerarse el valor del pH del agua de caldera de acuerdo con la Tabla 5-2.
e,¡A presión de servicio < 1 bar debe ser aceptable una dureza total máxima de 0,05 mmol/1. <•> En lugar de observar este valor, en funcionamiento intermitente o en funcionamiento sin desairea- dor, deben utilizarse agentes que forman película y/o un exceso de reductor de oxígeno. <•> Las sustancias orgánicas son generalmente una mezcla de varios compuestos diferentes. La composición de tales mezclas y el comportamiento de sus componentes individuales en las condiciones de funcionamiento de la caldera son dificiles de predecir. Las sustancias orgánicas pueden descomponerse para formar ácido carbónico u otros productos de descomposición ácida que aumentarán la conductividad ácida y causarán corrosión o depósitos. Esto puede llevar también a la formación de espuma y/o de arrastres de agua con el vapor que deben mantenerse tan bajos como sea posi ble.
Agua de la caldera (agua en el interior de la caldera: condensados más agua de nueva aportación): Norma UNE-EN 12953-10 Tabla 5.2. Agua de la caldera para calderas de vapor y calderas de agua caliente. Agua de la caldera para calderas de vapor que utilizan Parámetro
Presión de servicio Apariencia
Unidad
Bar > 0,5 a 20 ( 0,1 MPa)
µS/cm
Valor del pH a 25 ºC
-
mmol/1
Concentración de sílice (Si02)
mg/ 1
Fosfato PO/-
mg/1
Sustancias orgánicas
-
> 20
> 0,5
Agua de la caldera para calderas de agua caliente
Intervalo total
Clara, sin espuma estable
-
Conductividad directa a 25 ºC
Alcalinidad compuesta
Agua de alimentación de conductividad > 30µS/cm
Agua de alimentación de conductividad directa '.':'. 30µS/cm
< 6.000(•)
Véase la Figura 5.1<•>
10,5 + 12,0 10,5 + 11,8 1 + 15(•)
1 + 10<•)
< 1.500
< 1.500
10,0 + 11,0(b,,)
9,0 + l l ,5
0,1 + 1,0 (<)
<5
Dependiente de la presión , de acuerdo con la Figura 5.2 10 + 30
10 + 30
6 + 15
Véase la nota
-
<•> Con recalentador se considera como valor máximo el 50 % del valor más alto indicado. (bJ El ajuste del pH básico se hace por inyección de Na,P04 , y una inyección adicional de NaOH solo si es el valor del pH < 10. (,> Si la conductividad ácida del agua de alimentación de la caldera es < 0,2µS/cm y si su concentración de Na + K es < 0,010 mg/ 1, no es necesaria la inyección de fosfato. Alternativamente puede aplicarse AVT (tratamiento totalmente volátil , agua de alimentación con pH ;;,, 9,2 y agua de la caldera con pH ;;,, 8,0) cuando la conductividad ácida del agua de la caldera es < 5µS/em. (dJ Si en el sistema hay presentes materiales no ferrosos, por ejemplo aluminio, puede requerir un valor inferior del pH y de la conductividad directa ; sin embargo, la protección de la caldera tiene prioridad. <•J Si se utiliza un tratamiento de fosfato coordinado; considerando todos los demás valores, son acep- tables concentraciones de PO/- más altas (véase también el Capítulo 4).
l'-19
B) Calderas acuotubulares: según Norma UNE-EN 12952-12. Agua de alimentación (agua de nueva aportación): Norma UNE-EN 12952-12 Tabla 5.1.Agua de alimentación para calderas de vapor y generndores de agua caliente con circulación natm·al o asistida.
Parámetro
Presión de servicio Apariencia
Unidades Bar
e 0,1 MPa)
Agua de alimentación que contiene sólidos disueltos > 0,5 a 2
>20a40
-
Intervalo total
Intervalo total
-
No se especifica, solo valores guía para el agua de caldera correspondiente, véase la Tabla 5.2
-
< 0,2
-
> 9,2
> 9,2
> 9, 2(')
> 7,0
< 0,01
< 0,005
-
< 0,05
< 0,010
-
No se especifica, solo valores guía para el agua de caldera correspondiente, véase la Tabla 5.2
µS/cm
Conductividad ácida a 25 ºC C•>
µS/cm
-
-
-
> 9,2(<)
mmol/1 < 0,02(<)
Dureza total (Ca++ + Mg++)
Agua de 1·elleno para generad01·es de agua caliente
Clara, libre de sólidos en suspensión
Conductividad directa a 25 ºC
Valor del pH a 25 ºC Cb>
> 40 a 100
Agua de alimentación y agua desmineralizada de pulve1ización del desrecalentad01·
Concentración de sodio y de potasio (Na+ + K+)
mg/1
-
-
Concentración de hierro (Fe)
mg/ 1
< 0,050
< 0,030
< 0,020
< 0,020
< 0,2
Concentración de cobre (Cu)
mg/ 1
< 0,020
< 0,010
< 0,003
< 0,003
< 0,1
Concentración de sílice (Si02)
mg/ 1
No se especifica, solo valores guía para el agua de caldera c01respondiente, véase la Tabla 5.2
< 0,020
-
Concentración de oxígeno O
mg/ 1
< 0,020(Q
< 0,020
< 0,020
< 0,1
-
Concentración de aceite/ grasa (véase la N01ma EN 12952-7)
mg/ 1
< 0,5
<0,5
< 0,5
Concentración de sustancias orgánicas (como COT)
mg/ 1
< 0, 5 C
< 0,2
Véase nota•> al pie de tabla
Alternativamente índice de permanganato
mg/ 1
3
5
-
Véase nota Cbl al pie de tabla 5
5
(a) La influencia de agentes orgánicos de acondicionamiento debería considerar se adicionalmente. (b) Con aleaciones de cobre en el sistema, el valor del pH debe mantenerse en el intervalo 8,7 a 9,2.
(<) Con agua ablandada , con valor del pH > 7,0, deberíaa considerarse el va lor del pH del agua de caldera de acuerdo con la Tabla 5.2. (d)
Para el agua de inyección solo deben estar permitidos los agentes alcalinizantes volátiles.
(,) A la presión de servicio < 1 bar, debe ser aceptable la dureza total máxima de 0,05 m mol/!. (1) En lugar de observar este valor para funcionamiento intermitente o en funcionamiento sin desaireador, deben observarse los agen- tes que forman película y/o el exceso de reductor de oxígeno. (g)
A la presión de servicio > 60 bar, se recomienda COT < 0,2 mg/1 .
Las sustancias orgánicas son generalmente una mezcla de varios compuestos diferentes. La composición de tales mezclas y el comportamiento de sus componentes individuales en las condiciones de funcionamiento de la caldera son difíciles de predecir. Las sustancias orgánicas pueden descomponerse para formar ácido carbónico u otros productos ácidos de descomposición que aumenten la conductividad ácida y provocar corrosión o depósitos. También, pueden llevar a la formación de espumas y/o de arrastres de agua con el vapor que deben mantenerse tan bajos como sea posible . Ot)
150
Agua de la caldera (agua en el interior de la caldera: condensados más agua de nueva aportac ión): Norma UNE-EN 12952-12 Tabla 5.2. Agua de la caldera para calderas de vapor.
Parámetro
Unidad
Agua de caldera para calderas de vapor que utilizan:
Agua de alimentación que contiene sólidos disueltos
Conductividad directa 'é 30µS/cm
Conductividad directa > 30µS/cm Presión de serv1c10
Bar
Apariencia
-
Conductividad directa a 25 º C
¡1S/cm
Agua de caldera parn generad01·es de agua caliente
> 0,5 <:'. 20
> 20 <é 40
> 40 a 60
> 0,5 <é 60
> 60 <é 100
Agua de alimentación desmineralizada conductividad ácida 'é 0,2 µS/cm<•J Alcalinización del agua de caldera con agentes alcalinizantes sólidos
Tratamiento totalmente volátil (AVT)
<é 100
> 100
Intervalo total
Intervalo total
< 100
< 30
-
< 1.500
< 50
< 50
< 5(,)
-
Clara y sin espuma estable Véase la Figura 5. l'•l
Valor recomendado en la Figura 5.2
Conductividad ácida a 25 ºC: • Con dosificación de fosfatos
µ/cm
• Sin dosificación de fosfatos
µ/cm
-
-
-
-
-
< 40
Valor del pH a 25 ºC
-
10,5 + 12,0
10,5 + 11,8
10,3 + ll,5
10,0 + 11,0
9,8 + 10,5
9,5 + 10,5
9,3 + 9,7
::> 8(d)
9,0 + ll,5(•)
Alcalinidad
nunol/1
1+ 15<•)
1 + 10<•)
0,5 + 5<•)
0, 1 + 1,0
0, 1 + 0,3
0,0 5+ 0.3
-
-
<5
Caneentración de sílice (SiO,)
mg/ 1
Fosfato PO; (f)
mg/ 1
Sustancias orgánicas
-
-
Dependiente de la presión 10 + 20
8 + 15
8 + 15
5 + 10
<6
<6
<3
-
-
Véase nota (g¡ al pie de tabla
(a) Sin agentes de acondic i onamiento. (b) Con recalentador, se considera el 50 % del valor superior indicado como valor máximo. (<)
La conductividad ácida es men or de 3 si el flujo térmico es mayor de 250 kW/m'
El va lor del pH debe ajustarse en el agua de alimentación y debería ser 2: 8 ,5 a presi ones de servicio > 60 bar. (e) Si hay materi ales no ferrosos presentes en el sistema, por ejempl o alumini o, pueden requerir un valor más bajo de pH y conductividad directa . No obstante, la protección de la caldera ti ene prioridad. (Q Si se utiliza el tratamiento de fosfatos coordinado, son aceptables concentra ciones de (P04Y- muy altas (véase también el Capítulo 4). (d)
(g)
Véase Ch> en la Tabla 5. 1.
7.2. DESCALCIFICADORES Y DESMINERALIZADORES El agua de alimentación que se introduce en una caldera es necesario que esté debida mente tratada y acondicionada para que sus características sean concordantes con las indicadas en las Normas UNE-EN 12953-10 (Calderas pirotubulares) y UNE-EN 12952-12 (Calderas acuotubulares e instalaciones auxiliares). El tratamiento consiste en descalcificar o desmineralizar, desgasificar y regularizar el pH. Los objetivos del tratamiento del agua de alimentación son: • Mantener altas transferencias de calor,evitando incrustaciones. • Mejorar la seguridad de la caldera y su rendimiento. • Reducir los costes de mantenimiento, evitando corrosiones.
7.2.1. Descalcificadores La mayoría de las aguas contienen sales de calcio y de magnesio que se depositan en el interior de las tuberías o de la maquinaria, disminuyendo considerablemente su eficacia en la transferencia de calor,y se dice que son aguas duras porque los depósitos forman un precipitado que se endurece como si fuera de piedra. Los descalcificadores son aparatos que permiten sustituir los iones minerales incrus tantes por iones solubles en agua. Para llevar a cabo dicha transformación se utilizan resinas a base de poliestireno, formadas por pequeñas esferas de 0,3 mm de diámetro que tienen la propiedad de cambiar los iones de calcio y magnesio (sales) por iones de sodio, solubles en agua. Para regenerar estas resinas se hace circular salmuera (cloruro sódico) de manera completamente automática mediante un temporizador debidamente programado. Una vez se ha regenerado el descalcificador se vuelve a poner en servicio automáticamente y puede volver a estar operativo durante un nuevo ciclo. El proceso de regeneración consta de cuatro fases: 1.ª fase: Contralavado. El agua pasa por las resinas de abajo a arriba para desapel mazar las resinas y eliminar su suciedad externa, para que la solución salina regenerante alcance a toda la masa. Su duración es de unos 10 minutos, pero depende de la suciedad acumulada y del volumen de resinas. 2.ª fase: Regeneración. Es el paso de la solución salina a una concentración del 8 al 12 %, a través de las resinas, habitualmente en sentido descendente. Su duración media es de 20 a 45 minutos. 3.ª fase: Lavado lento. Acabada de pasar la solución salina se elimina esta durante unos minutos con el mismo caudal que en la regeneración. 4.ª fase: Lavado rápido. El lavado se hace hasta que el agua "no sabe a sal" (en zonas con agua dura muy salobre, que no sea más salada), y que su dureza residual sea la aceptable (depende de la calidad del agua dura). Estas operaciones pueden efectuarse de forma manual, pero normalmente se hacen de forma automática mediante un programador,que regula los tiempos de cada fase.
La puesta en marcha de la regeneración en los descalcificadores automáticos puede ser por: • Tiempo: a una hora y día prefijados, sin tener en cuenta el agua descalcificada consumida. • Tiempo de funcionamiento a caudal constante. • Volumen mediante contador.
Observaciones • En los dos últimos procedimientos, si varía la dureza del agua o no se aprovecha la capacidad máxima de las resinas se suministra agua dura. • Cuando las instalaciones son grandes, el coste de hacer la automatización del control periódico de dureza suele ser rentable. • También es interesante hacer análisis en continuo de la conductividad del agua dentro de las resinas. • En todas las instalaciones automáticas se necesita una presión mínima de unos 2 kg/cm2 para obtener un buen funcionamiento en la aspiración de la sal.
7.2.2. Desmineralización total Cuando por requerimientos de caldera o por la presencia de iones metálicos en el agua, hay que llegar a la eliminación total de iones (desmineralización), hay que usar unos elementos llamados desmineralizadores. La desmineralización puede hacerse por vía química o por vía mecánica.
Desmineralización química La eliminación de cationes y aniones se hace mediante el paso del agua por columnas de resinas aniónicas y catiónicas. Según el tipo de resinas y columnas, se puede llegar a agua desionizada e incluso exenta de sílice. La operación de intercambio iónico comprende el intercambio entre los iones presen tes en el agua y los iones de las resinas. El intercambio iónico consiste en reacciones químicas de sustitución, cuyos meca nismos de reacción son tan parecidos a las operaciones de adsorción que se considera como un tipo especial de adsorción. Los tipos de resinas de intercambio pueden ser: • Catiónicas: intercambian iones positivos (cationes). Son estructuras con grupos funcionales ácidos (resina ácido fuerte/ácido débil). • Aniónicas: intercambian iones negativos (aniones). Son estructuras con grupos funcionales básicos (resina base fuerte/base débil). Las instalaciones son muy variadas, pero las configuraciones más habituales en la industria son:
manual práctico del operador de calderas industriales
• Doble columna (catión - anión). • Triple columna (catión - anión - catión). • Cuatro columnas (catión - anión - catión - anión). • Doble columna (catión - anión) y lecho mixto. En cada caso se estudia y se coloca el más adecuado siguiendo criterios técnicos y económicos. A modo de ejemplo, en el desmineralizador catión - anión con dos columnas o de doble intercambio, las resinas se alojan en dos botellas distintas. El agua pasa primero por la resina catiónica y luego por la resina aniónica, eliminando todos los iones del agua. Para regenerar las resinas se hace pasar ácido clorhídrico (HCI) por la resina catió nica y sosa (NaOH) por la aniónica. Después de la regeneración se aclaran las resinas, empezando un nuevo ciclo.
Desmineralización mecánica El procedimiento mecánico más eficaz de desmineralización del agua es la ósmosis in versa. La ósmosis es una difusión pasiva, caracterizada por el paso del agua, disolvente, a través de una membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más con centrada. En la Figura 7.1, en la parte izquierda, el nivel de líquido aumenta en el comparti mento de la solución concentrada y disminuye en el de agua pura, alcanzándose una diferencia de altura estable h, a la que deja de pasar más agua. Esta altura h se expresa en términos de presión, y se denomina presión osmótica y al fenómeno se le denomina ósmosis natural. Presión mecánica
Presión osmótica
Disolución diluida
Disolución \ concentrada
1t
\J\,
Disolución )' diluida _/
_ .,.'.>'
' Membrana semipermeable '
15'-I
Disolución concentrada
Tratamiento de agua de calderas
Figura 7.1. Mecanismo de la ósmosis (izquierda) y de la ósmosis inversa (derecha).
155
En la parte derecha de la figura se observa que si se aplica una presión en el compar timento de la solución concentrada, se consigue que el agua pase desde este comparti mento al compartimento con la solución diluida, de tal forma que se produce un aumento de concentración de la solución más concentrada y una dilución de la disolución diluida. Este fenómeno se conoce con el nombre de osmosis inversa. Pero si en uno de los compartimentos hay agua desmineralizada y en el otro hay agua bruta, al final se obtiene un agua desmineralizada por un lado, que se envía al proceso, y por otro lado una salmuera, que se envía al desagüe. Los sistemas de osmosis inversa constan de los siguientes elementos: Pretratamiento Comprende todos los sistemas necesarios para evitar problemas operativos de la mem brana como son: • Ensuciamiento coloidal: para evitar este problema los equipos de pretratamien to más comunes suelen ser los filtros multicapa y los filtros de cartucho. • Incrustación: para evitar la incrustación de sales insolubles se fundamenta bási camente en la dosificación de productos antiincrustantes y también la corrección de pH, aunque en determinadas circunstancias se puede utilizar también sistemas de descalcificación. • Oxidación de la membrana: para eliminar los productos oxidantes, se utiliza la dosi ficación de reductores como el bisulfito sódico o la decloración mediante carbón activo. Sistema de membranas Es el corazón del equipo y consta de los siguientes elementos: • Bombeo de alta presión: sistema de membranas formado por las propias mem branas y los contenedores o tubos de presión donde van alojadas. Las membranas se clasifican por el material con que están fabricadas (acetato de celulosa y poliamida) o por su forma (planas, tubulares, de fibra hueca y de arro llamiento en espiral). Las más empleadas son las de poliamida de arrollamiento en espiral, como muestra la Figura 7.2. (1) Agua bruta alimentación (2) Rechazo (3) Salida de agua permeada (4) Flujo de agua bruta (5) Flujo de permeada (6) Material de protección (7) Junta de estanqueidad entre módulo y envolvente (8) Perforaciones de recogida de agua permeada (9) Espaciador (10) Membrana (11) Colector de agua permeada (12) Membrana
(13) Espaciador (14) Linea de soldadura de las dos membranas
Figura 7.2. Sistema de membranas de la ósmosis inversa.
El acetato de celulosa fue el primer material empleado para las membranas y aun que tiene ciertas ventajas respecto a las membranas actuales, ha caído en desuso por requerir mayor presión de trabajo, por obtenerse peor calidad del agua y por su sensibilidad a cambios en el pH, mientras que el único inconveniente de la po liamida es su sensibilidad a los oxidantes como el cloro. • Valvulería y conducciones, incluyendo las válvulas de regulación de presión. • Instrumentación, incluyendo elementos de control y de seguridad como manóme- tros, indicadores de caudal, conductivímetros, indicadores de temperatura, etc. Postratamiento Los elementos necesarios para conseguir que el agua producida tenga la calidad ade cuada son: • Corrección de pH: mediante dosificación de alcalinizante ya que el agua osmoti zada tiene un pH bajo. • Cloración: para evitar crecimientos microbiológicos posteriores. • Descalcificación de afino: cuando el tratamiento de osmosis no llega por sí solo a obtener la dureza exigida por la norma correspondiente. • Desmineralización final: cuando la conductividad necesaria para la alimentación de la caldera es aún inferior a la conseguida con un equipo de osmosis inversa.
7.3. DESGASIFICACIÓ N TÉR MICA Y PO R ADITIVOS Desgasificar el agua es eliminar el oxígeno disuelto que tiene, para evitar la corrosión del acero de la caldera y del resto de las instalaciones implicadas. Esto puede hacerse térmica o químicamente.
7.3.1. Desgasificación térmica El sistema natural de realizar la desgasificación consiste en elevar la temperatura del agua de alimentación por encima de los 100 ºC, ya que a esta temperatura, el contenido de oxígeno disuelto en el agua es prácticamente nulo, como se muestra en la Figura 7.3. Para hacer una desgasificación térmica hay que tener en cuenta que: • Hay que calentar el agua de alimentación a una temperatura superior a 105 ºC. • Se requiere un tanque de alimentación presurizado (0,2 + 0,35 bar). • La capacidad normal del tanque debe estar entre 10 + 20 minutos de producción de vapor. • Se debe garantizar la eliminación del aire. • Se requiere una presión mínima de agua de entrada para garantizar la pulverización.
156
Las configuraciones de los desgasificadores pueden ser muchas, en la Figura 7.4 se muestra un esquema típico de una instalación de desgasificación.
manual práctico del operador de calderas industriales Solubilidad del 02 en agua 16 14
12 10 8 6 4 2
T (oC)
[0,) (ppml
10
11,20
20
9,13
30
7,56
40
6,71
50
5,71
60
4,85
70
4,07
80
2,85
90
1,50
100
0,12
102030405060708090100
Temperatura del agua °C
Figura 7.3. Solubilidad del oxígeno en el agua.
Condensados -·-·-·-· ··-·,.. Vapor flash ·-·-···-·---·-·""
'¡ ;
Rebose
{,
Vaciado
1
'·-·-· · ·--·-·-·->
A bombas de alimentacion caldera
Figura 7.4. Tanque de alimentación con desgasificador.
El agua de alimentación y la recogida de condensados (en procesos que lo requieren) se dirige a la parte superior del desgasificador, normalmente colocado sobre el depósito de agua de alimentación de la caldera. Este desgasificador se alimenta, por su parte in ferior, con vapor de baja presión y convenientemente reducido de presión. En el interior del desgasificador se establecen dos corrientes contrarias, una de vapor ascendente y
15i'
manual práctico del operador de calderas industriales
oxígeno desprendido y otra descendente en forma de lluvia del agua a desgasificar que cuando llega al final del desgasificador está prácticamente exenta de oxígeno. Según la ley de Henry,la concentración de equilibrio de un gas disuelto en un líquido es proporcio nal a la presión parcial del gas que está en contacto con el líquido. También son posibles otras muchas configuraciones, con pequeñas variantes. Los desgasificadores son económicos para el trabajo que realizan y su función es muy eficiente con el mínimo de mantenimiento, a pesar de todo, siempre quedan trazas residuales de oxígeno disuelto, que se eliminan finalmente por medio de un secuestrante químico.
7.3.2. Desgasificación química Se consigue añadiendo aditivos al agua de nueva aportación de calderas, que se com binan con el oxígeno del agua de alimentación, quedando esta exenta del mismo. Los aditivos más empleados son los siguientes:
N,N-Dietilhidroxilamina (DEHA) Desoxigenante volátil, que además pasiva las superficies metálicas de la caldera y líneas de condensados, es un fuerte reductor capaz de revertir el rojizo óxido férrico a magneti ta, si se mantienen concentraciones residuales en la caldera entre 150 y 300 ppb. La estequiometría de la reacción es de 1,24 ppm de DEHA por cada 1ppm de oxígeno disuelto, pero se obtienen mejores resultados con una relación 3:1. En su reacción con el oxígeno se forma ácido acético e incluso se puede descomponer en dióxido de carbono, lo cual requiere un consumo adicional de amina neutralizante. Se descompone en amoníaco a partir de 280 ºC frente a los 168 ºC para la hidracina.
Sulfito sódico En calderas de presiones de hasta 60 kg/cm2 el reactivo más empleado es el sulfito sódi co catalizado que tiene bajo coste, fácil manejo y no es incrustante. La reacción del sulfito sódico con el oxígeno disuelto del agua es la siguiente: 2S0 3Na2
+ 02 -2SQ 4 Na2
El sulfito sódico debe añadirse continuamente con bombas dosificadoras, preferen temente en el tanque de almacenamiento del desgasificador. Ejemplo de coste de aditivos • Datos iniciales - Producción máxima caldera = 10.000 kg/h. - Uso de la caldera = 6.000 horas/año. - Coste de sulfito sódico (aproximadamente) = 1,2 €/kg. 158
Tratamiento de agua de calderas
- Temperatura del tanque = 60 ºC.
159
• Cálculo de la cantidad de sulfito sódico: - Se requiere una dosificación de sulfito sódico de 8 ppm para reducir 1ppm de 02 disuelto. - Normalmente se añaden otros 4 ppm como reserva. - Por tanto, se requieren 8 + 4 = 12 ppm de sulfito sódico para reducir 1ppm de 02 disuelto. - De la Figura 7.3, para una temperatura de 60 ºC el 02 disuelto en agua es 5,2 ppm. - Coste anual: 12 x 5,2 kg/h x 6.000 h/año x 1,2 €/kg = 4.492,8 € /año
Hidracina Sustituye al sulfito en sistemas de alta presión (presiones superiores a 60 kg/cm2 • La ventaja principal es que no incrementa sólidos en la caldera, pero tiene el problema que está en la lista de productos cancerígenos (OSHA PEL 0,1 ppm, SARA Title II. Section 313 Reporting) y como tal requiere de una manipulación especial. Actualmente el uso se circunscribe a los grandes sistemas de generación de vapor (centrales eléctricas). La hidracina (al 35 %) se añade directamente al agua de alimentación a razón de 0,05-0,10 ppm. A temperaturas inferiores a 150 ºC la reacción es muy lenta. El uso de hidroquinona como catalizador aumenta la velocidad de la reacción de 10 a 100 veces. A temperaturas superiores a 400 ºC la hidracina comienza a descomponerse formando amoníaco, que es corrosivo para el cobre y otras aleaciones. La hidracina actúa según la siguiente reacción: N2 H4
+ 02 -2H 20 + N2
7.4. REGULACIÓN DEL pH Alimentar una caldera con un pH inferior a 8,5 puede dar lugar a corrosión por acidez, por eso es necesario tratar el agua de alimentación para que el pH a la entrada de la caldera esté entre 8,5 y 9,5. Esta regulación del pH se consigue añadiendo al agua de alimentación fosfato trisó dico en la proporción correspondiente, que además elimina la dureza residual del trata miento de descalcificación, evitando que las sales calcáreas se adhieran a las paredes metálicas de la caldera.
7.5. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS. PURGADORES La recuperación de condensados permite incrementar el rendimiento energético de una instalación de vapor mediante la recuperación parcial o total del calor de los conden sados procedentes de las máquinas consumidoras de vapor y además se consigue un ahorro de agua de nueva aportación.
Para hacerse una idea más clara de la importancia de la recuperación de los conden
-T
sados se plantea el siguiente ejemplo:
1111
Ejemplo 7.1.
Una caldera alimentada con agua a 20 ºC produce vapor a 10 kg/cm•, tiene una cantidad de calor (entalpía) de 665,2 kcal/kg y una temperatura de 182 ºC. La má quina que lo va a utilizar toma el calor de condensación (calor latente) 479,5 kcal/ kg, dejando sin usar el calor del condensado (calor sensible) 185,7 kcal/kg. Para producir un kilogramo de vapor, partiendo de agua a 20 ºC, hay que aportar 665,2 - 20 645,2 kcal, pero si se recupera el agua condensada, retornándola a la caldera, para producir 1 kg de vapor, solamente se necesitan 665,2 - 185,7 479,5 kcal, es decir, se ahorran 645,2 -479,5 165,7 kcal (25,7 %).
=
=
=
Los condensados son agua a alta temperatura (calor sensible) y sin sales (si no hay contaminaciones o no hay arrastres de agua de caldera al vapor). La recuperación de condensados es importante por: a) Menor consumo de agua depurada. b) Disminución de la salinidad del agua de alimentación. c) Reducción del régimen de purgas a aplicar en la caldera. d) Elevación de la temperatura de alimentación del agua, lo que repercute en una re ducción del consumo de combustible y en un menor contenido de gases disueltos como el oxígeno. e) Posibilidad de reducir el tamaño de la instalación de depuración del agua de nueva aportación, abaratando la inversión y reduciendo los gastos de funcionamiento. f) Reducción de las dosificaciones de algunos aditivos, como por ejemplo los se cuestrantes de oxígeno. g) Los retornos de condensados pueden llevarse al depósito de alimentación (mez clándolos con el agua nueva depurada) o introducirlos directamente a la caldera. Si existe posibilidad de contaminaciones del condensado en los procesos de fabrica ción, deben tomarse las medidas pertinentes para evitarlas o detectarlas rápidamente para impedir su llegada al tanque de alimentación. Los elementos que permiten recuperar los condensados generados en las máquinas consumidoras de vapor son los purgadores, que de forma continua van extrayendo el condensado del circuito del vapor,impidiendo que escape este. También, tras un paro, las tuberías de retorno antes del depósito de alimentación de caldera deben tener instalado un sistema de purga que permita tirar los primeros retornos, cuando se requiera, para evitar que los arrastres de óxido u otras impurezas o si hay una contaminación, vayan al depósito y luego a la caldera.
161
Los purgadores son los elementos que permiten hacer la separación de los conden sados del vapor.Los más habituales en la industria son los de boya cerrada, los de cubeta invertida y los termodinámicos (Figura 7.5).
Boya cerrada
Cubeta invertida
Termodinámico
Figura 7.5. Distintos tipos de purgadores.
Existen distintos tipos de purgadores: • Mecánicos o de flotador: De boya cerrada. De cubeta. De cubeta invertida. • Termodinámicos. • Termostáticos: - De presión equilibrada. - Bimetálicos. • Mixtos. En la Tabla 7.3 se muestran las características de la descarga de los diferentes pur gadores. Tabla 7.3. Características de la descarga de los diferentes purgadores. Tipo de purgador Termodinámico
Características de la descarga Súbita e intermitente. Cierre total entre descargas.
Termostático de Súbita e intermitente . Cierre total entre descargas. presión equilibrada Expansión líquida
Descarga continua cuando las cargas son estacionarias altas y medias. Tendencia a la descarga súbita cuando las cargas son pequeñas.
Bimetálico
Descarga continua variando según la tasa de formación de condensado. Tendencia a la descarga súbita cuando las cargas son pequeñas o muy variables.
Boya cerrada
Descarga continua variando según la cantidad de condensado que se forma, si bien tienden a tener un funcionamiento pulsante cuando las cargas son pequeñas.
Cubeta invertida
Súbita e intermitente con cierre total entre descargas, excepto cuando las cargas son pequeñas en que tiene tendencia a gotear.
manual práctico del operador de calderas industriales
7.6. R ÉGIM EN DE PU RG AS A R EALIZAR La finalidad de purgas en una caldera, además de mantener la concentración salina idó nea, es eliminar los lodos y sólidos en suspensión en el agua. El vapor producido en una caldera no tiene sales (si no hay arrastres de agua), por consiguiente cuanto mayor sea la recuperación de condensados para minimizar la canti dad de agua de nueva aportación, que es un agua tratada, desendurecida o desminera lizada según las condiciones de la caldera, pero siempre con un coste de tratamiento y con una cantidad de sales superior a los condensados. Para asegurar que la salinidad en la caldera se mantiene en valores idóneos esta bles debe cumplirse que la cantidad de sales extraídas en las purgas es igual a la que le aporta el agua de alimentación. Para calcular el caudal de purga basta con hacer un balance de materia de la forma siguiente: de acuerdo con la Figura 7.6, en el balance de materia deben cumplirse dos condiciones, que el caudal total de entrada sea igual al caudal de vapor saliente más el caudal de las purgas y que la cantidad de sales entrantes sea igual a la cantidad de sales salientes, es decir: A =V+P A x M = P x S (admitiendo que el vapor está exento de
sales) Donde: A: caudal total de agua de entrada en 1/h V: caudal total de vapor de salida en 1/h P: caudal total de purga en 1/h M:salinidad del agua de alimentación 5:salinidad máxima óptima en el agua de la caldera
Vapor saturado seco (V) Agua (A)
l
Purgas (P)
Figura 7.6. Esquema para el cálculo para la purga de caldera.
162
Sustituyendo valores en las ecuaciones anteriores: P X S = M X ( V + P) PX S=M X V+M XP P X (S - fV1) = V X M
p
Obteniendo finalmente:
=
V
M S- M
Por tanto, la cantidad que hay que purgar viene dada por la expresión: P=
S- M
XV
Y expresado en tanto por ciento, por cada 100 unidades de V:
T-
P=
SM
X 100
.....-:r' •
Ejemplo 7.2.
1111
Calcula el caudal de purga P de una caldera con los siguientes datos de partida: • Salinidad del agua depurada: 1.000 ppm. • Producción de vapor real: 10.000 kg/h. • Presión de trabajo: 8 kg/cm•. • Salinidad: se quiere mantener en el agua de caldera (S): 7.000 ppm. Primer supuesto: no hay retornos de condensados. Salinidad Jtf del agua de alimentación: 1.000 ppm.
..!:.._ = V
l.OOO x 100 5.ooo - 1.000
= 25 % (respecto a la producción de vapor V)
Como V= 6.000 kg/h, la purga que hay que hacer es:
P
litros = - 1.000 -X 10.000 = 2.500 --5.000 - 1.000
hora
Segundo supuesto: hay un 80 % de recuperación de
condensados. Salinidad Jtf del agua de alimentación: 0,0 ppm de los condesados x 0,8 + 1.000 ppm del agua tratada x 0,2
..!:.._ = V
l.OOO x 100 5.ooo - 1.000
= 200
ppm
= 25 % (respecto a la producción de vapor V)
Como V= 10.000 kg/h, la purga que hay que hacer es:
P=
1_._oo_o 5.000 - 200
=
x 10_ 000 417 litros hora
Las extracciones pueden hacerse mediante purga continua o intermitente, pero siempre debe considerarse la posibilidad de aprovechar el calor antes de verter el agua al desagüe.
Purga continua Existe la posibilidad de instalar la purga en la zona de nivel de agua (preferiblemente) o en el fondo. Siempre debe estudiarse el aprovechamiento del calor recuperando parte del calor transportado por el agua purgada. La misión de la purga continua instalada en la zona de nivel es la de desconcentrar el agua y eliminar espumas. La purga de fondo, aunque puede hacer en continuo, suele ser intermitente y sirve para desconcentrar y evacuar barros.
Purga intermitente (automática o manual) Las purgas automáticas se hacen tanto de fondo como de superficie. La purga automática de fondo se hace mediante una válvula con un actuador y un temporizador en el que se programan los ciclos de purgas (cantidad y duración), lo que facilita la supervisión del operador de caldera.
7.7. PROBLEMAS PROVOCADOS POR UN MAL TRATAMIENTO DEL AGUA DE CALDERA Un mal tratamiento del agua de caldera provoca a largo plazo una disminución de la vida de la caldera a consecuencia de la corrosión y un mal funcionamiento de la misma con considerables pérdidas económicas por bajos rendimientos de transmisión calorífica, como resultado de la formación de incrustaciones.
7.7.1. Corrosión Las principales fuentes de corrosión en calderas son la corrosión por oxígeno o pitting y la corrosión cáustica. Corrosión por oxígeno o pitting La corrosión por oxígeno o pitting es la reacción del oxígeno disuelto en el agua con los componentes metálicos de la caldera en contacto con el agua, que provoca óxidos solu bles e insolubles. Los resultados de este tipo de corrosión son tubérculos de color negro, los que se forman sobre la zona de corrosión.
manual práctico del operador de calderas industriales Este tipo de corrosión se previene mediante una adecuada desgasificación del agua de alimentación y manteniendo un exceso de secuestrantes de oxígeno en el agua de la caldera.
Corrosión cáustica La corrosión cáustica se produce por una sobreconcentración localizada en las zonas de elevadas cargas térmicas (hogar,cámara trasera, etc.) de ciertas sales, que por hidróli sis producen sosa cáustica. Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al pitting por oxígeno, rellenas de óxidos de color negro, presentes solamente en las zonas de elevada liberación térmica (hogar,placa trasera y cámara trasera) de la caldera. La corrosión cáustica puede prevenirse manteniendo la alcalinidad, OH- libre y pH del agua de la caldera dentro de los límites recomendados.
Corrosión en las líneas de retorno de condensado Las líneas de retorno de condensado no forman parte de la caldera, sin embargo, su corro sión tiene efectos sobre la misma y puede ser prevenida con el tratamiento de agua. Cuando el lado de agua presenta un color rojizo indica que hay problemas de corro sión en las líneas de retorno de condensado, debido a que los óxidos (hematita) produci dos son arrastrados a la caldera con el agua de alimentación. Cuando hay presencia de ácido carbónico en las líneas de retorno de condensado, también aparecen corrosiones por este fenómeno. La prevención de la corrosión en es tas líneas de retorno se consigue mediante la adición de aminas neutralizantes que neu tralizan la acción del ácido carbónico y aminas fílmicas que protegen dichas líneas. Estas aminas son volátiles, por lo que al ser dosificadas a las líneas de alimentación de agua, son arrastradas por el vapor producido en la caldera.
7.7.2. Incrustaciones Las incrustaciones corresponden a depósitos de carbonatos y silicatos de calcio y mag nesio, formados por una excesiva concentración de estos componentes en el agua de alimentación y/o regímenes de purga insuficientes. La presencia de incrustaciones en una caldera baja la conductividad térmica, lo que ocasiona problemas de refrigeración de las superficies metálicas, llegando a causar da ños por sobrecalentamiento. La formación de incrustaciones en una caldera puede prevenirse, cumpliendo los re querimientos del agua de alimentación a la caldera, tratando el agua de nueva aportación y purgando adecuadamente. En la Figura 7.7 se muestra el efecto de las incrustaciones y flujo de calor en el me
Tratamiento de agua de calderas §
tal. A medida que aumenta el espesor de la capa de incrustaciones, para un mismo flujo de calor,puede observarse que aumenta la temperatura del metal.
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manual práctico del operador de calderas industriales
Espesores de las incrustaciones (mm) Escala 6 mm
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conductividad térmica:
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Escala 3,8 mm • 1 Es ala .2
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- Incrustación: 2,6 W/m ,ºK
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Espesor del metal: 20 mm
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m Flujo de calor (Kw/m')
Figura 7.7. Ábaco del flujo de calor en función de la temperatura y espesor de la incrustación.
7.7.3. Arrastre de condensado El arrastre de condensado con el vapor en una caldera provoca un suministro de vapor húmedo, que puede tener relación con deficiencias mecánicas y químicas. Las deficiencias mecánicas están relacionadas con un elevado nivel de agua en la caldera, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas térmicas, variaciones bruscas en los consumos, etc. Las deficiencias químicas están relacionadas con el tratamiento de agua de la calde ra, específicamente con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos totales (disueltos y en suspensión) y sílice, que favorecen la formación de espuma. Para prevenir el arrastre debido a deficiencias en el tratamiento de agua, se reco mienda mantener los valores de CaC03, Si02 y sólidos disueltos en límites recomendados.
166
•• En esta unidad se da una visión global de cómo debe realizarse la puesta en marcha, la conducción y el mantenimiento de una caldera, si bien lo que se cita debe tomarse como una recomendación, porque son pautas de comportamientos y es necesario estudiar cada caso en particular,debido a la gran variedad de tipos de calderas e instalaciones, es imposible recoger todos los casos. A pesar de esta complejidad, con las recomendaciones y pautas que se describen se puede tener una idea de cómo acometer cada instalación.
Contenidos 8.1. ntroducción 8.2.Mantenimiento de los generadores de vapor 8.3.Mantenimiento de las redes de vapor y condensado 8.4.Mantenimiento de equipos de utilización: condensadores y cambiadores de calor 8.5.Primera puesta en marcha 8.6.Puesta en servicio 8.7.Puesta fuera de servicio 8.8.Causas que hacen aumentar o disminuir la presión 8.9.Variaciones de nivel en la caldera 8.10.
Comunicación o incomunicación de una caldera con otras
8.11.
Revisiones y limpiezas periódicas
8.12.
Mantenimiento en paro prolongado
8.13.
Revisión de averías
manual práctico del operador de calderas industriales
8.1. INTRO DU CCIÓ N La correcta explotación de una instalación térmica lleva consigo la realización de un con junto de operaciones que aseguren su funcionamiento de manera constante, con un óp timo rendimiento energético, manteniendo en todo momento la seguridad del servicio y respetando el medio ambiente. Algunas de las operaciones a las que hay que hacer frente se analizan seguidamente.
8.1.1. Maximizar la producción de vapor Normalmente las instalaciones térmicas van asociadas a un proceso productivo, por tan to, maximizar la producción de vapor va asociado a maximizar la producción, de ahí que este aspecto sea prioritario.
8.1.2. Optimizar las pérdidas energéticas Reducir las pérdidas de energía térmica implica optimizar el coste del vapor generado. La energía térmica casi siempre representa el valor más alto en el consumo de los procesos industriales, por lo que hay que prestarle una atención preferente. El vapor es una de las formas más extendidas del consumo energético en procesos de intercambio térmico donde pueden tomarse medidas para el ahorro, realizando in versiones u optimizando las instalaciones en funcionamiento, actuando sobre las cuatro partes fundamentales de la red de vapor: a) Generación: conseguir en las calderas la mayor producción posible de vapor por unidad de combustible, lo que requiere una combustión óptima, reducción de las purgas y recuperación de calores residuales. b) Transporte: conseguir minimizar las pérdidas térmicas durante el transporte, lo que exige que la red de tuberías esté correctamente dimensionada, correctamen te purgada y bien aislada térmicamente. c) Utilización: regular la presión y temperatura en los intercambiadores, mantener limpias las superficies de intercambio. d) Retorno de condensados: recuperar todo el condensado posible, teniendo en cuenta su alto valor térmico y su valor añadido como agua tratada. Para optimizar el consumo de combustible hay que tener siempre presente que el rendimiento puede cambiar, dependiendo del estado del combustible en el momento de ser quemado, reglaje de los quemadores, porcentaje de exceso de aire, estado de lim pieza de las superficies que intercambian calor, temperatura y grado de humedad del aire para la combustión y tipo de funcionamiento (continuo o intermitente), encendidos y apagados frecuentes, cargas alternativamente bajas y altas o funcionamiento modulado.
168
Conducción de calderas y su mantenimiento La relación vapor /combustible es un indicador preciso del correcto funcionamiento de la caldera, con independencia del coste del combustible y del rendimiento de la com bustión.
169
Para maximizar la relación vapor/combustible hay que tener siempre presente: • Control de quemadores: mediante la limpieza o incluso la sustitución de las boquillas. • Regulación y ajuste del exceso de aire. • Reparación de fugas. •Instalación de economizadores o calentadores de aire. • Mejora del aislamiento térmico. • Control periódico de la combustión. •Instalación de instrumentos de medida del rendimiento de la combustión. •Instalación de equipos automáticos de control de combustión. •Inspecciones periódicas del interior de los equipos. • Evitar mantener calderas de reserva en presión. • Minimizar las variaciones bruscas de la demanda de vapor. • Hacer mantenimiento preventivo. • Obtener los valores típicos de su funcionamiento que sirvan de referencia. • Hacer balances de energía mediante diagramas de SANKEY u otro método similar. • Generar y utilizar el vapor a la mínima presión posible. • Hacer funcionar a la mayor carga las calderas más eficientes, dejando las menos eficientes para apoyo. • Mejorar el tratamiento del agua de alimentación, para minimizar las purgas de la caldera. • Reutilizar los condensados en el circuito de agua de alimentación. • Comprobar periódicamente si hay incrustaciones o corrosiones. • Mantener actualizados los manuales de operación. • Dar instrucciones concretas para los operarios. • Establecer un programa de formación continua del personal mediante cursillos, seminarios, etc. • Minimizar las fugas de gases en hogares presurizados. • Minimizar las entradas de aire en hogares en depresión. • Minimizar el soplado de las superficies de intercambio, compatible con la limpieza de las superficies. • Desconectar los sistemas de calefacción del proceso cuando no están en uso. • Reducir la temperatura del equipo de calefacción de proceso cuando está en re- serva. • Reducir el tiempo de funcionamiento del equipo al realmente preciso. • Desconectar o eliminar redes no utilizadas. • Minimizar las pérdidas de carga en las válvulas de control de bombas y compresores.
Una vez optimizada la eficiencia de la caldera mediante la realización de todas estas acciones, las futuras inversiones de mejora energética tendrán menor coste.
manual práctico del operador de calderas industriales
8.1.3. Otras operaciones Además de las operaciones anteriores, maximizar la producción de vapor y optimizar las pérdidas energéticas, se deben tener en cuenta otras operaciones que aseguren su funcionamiento de manera constante: • Mantener las instalaciones en condiciones seguras: la combustión lleva implícito un riesgo de incendio y de explosión, por lo cual es de vital importancia respetar las normas de seguridad vigentes. • Ajustarse a un presupuesto de gasto: ya se ha dicho que las instalaciones térmi cas suelen ir asociadas a un proceso productivo, donde hay que optimizar el coste, de ahí la importancia de ajustarse al presupuesto asignado. • Renovar los elementos obsoletos: ir renovando los equipos por otros más eficien tes, siguiendo criterios económicos o de seguridad. • Acondicionar adecuadamente los locales y naves.
8.2. MANTENIMIENTO DE LOS GENERADORES DE VAPOR Para conseguir el máximo rendimiento y una larga duración de una caldera es de gran utilidad seguir las normas que se analizan en cada uno de los siguientes apartados:
8.2.1. Primera puesta en marcha Para hacer la primera puesta en marcha de la caldera se seguirá la siguiente secuencia: l. Contar con el personal debidamente instruido en su manejo, prohibiendo manipu lar en ella a personas que no estén capacitadas. 2. Conectar el interruptor general, presionar el pulsador de bloqueo por falta de tensión y presionar el temporizador horario 120 m. 3. Verificar todos y cada uno de los grifos, niveles y válvulas, comprobando su esta do y movimientos, dejándolos en la posición correcta para su funcionamiento. 4. Realizar un lavado de la caldera (llenándola y vaciándola totalmente con el agua de alimentación) para eliminar de su interior los residuos que pueda contener. 5. Hacer un llenado total de agua a la caldera, para realizar una prueba hidráulica con el grupo eléctrico de alimentación y verificar,de este modo, que se supera la presión de servicio, así como su perfecta estanqueidad. 6. Purgar el tanque nodriza, para eliminar el agua que pueda haber decantada. 7. El primer encendido, se efectuará MUY LENTAMENTE hasta conseguir el punto de vaporización. 8. Una vez realizados estos pasos, se procederá a la puesta en marcha diaria.
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Conducción de calderas y su mantenimiento
8.2.2. Puesta en marcha diaria Para hacer la puesta en marcha diaria de la caldera se tendrá en cuenta:
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l. En los niveles visuales de los controles automáticos, el agua deberá estar den- tro de los márgenes de máximo y mínimo. 2. Verificar que las válvulas de todo el sistema de alimentación de agua están abiertas. 3. Cerrar la válvula de salida general de vapor. 4. Verificar que las válvulas de purgas y de vaciado están cerradas. 5. Comprobar el funcionamiento de la bomba de alimentación de agua, en posición manual y automática. 6. Verificar la existencia de combustible. 7. Conectar el quemador. 8. Comprobar si el humo a la salida de la chimenea no es visible, en caso contrario, será necesario regular la entrada de aire en el quemador. 9. Cuando el vapor comience a salir por el tubo de desvaporizar,cerrar la válvula correspondiente para que coja presión la caldera. 10. Observar si los presostatos actúan parando el quemador,cuando el manómetro indica la presión de trabajo. 11. Una vez alcanzada la presión de trabajo, abrir muy lentamente la válvula de salida de vapor a fábrica. 12. Comprobar que con la salida de vapor a fábrica desciende la presión y se inicia nuevamente el arranque del quemador. 13. Hecha esta verificación, se puede considerar que la caldera queda en régimen de marcha automática. 14. Cuando suene la señal acústica por bloqueo del quemador, alta presión, bajo nivel de agua o fin de temporizado, la persona encargada del funcionamiento de la caldera subsanará de inmediato el fallo, localizándolo y eliminando las causas que lo motivaron. 15. En caso de que la instalación de combustible sea de fueloil se abrirá la válvula de vapor al serpentín del tanque un poco, para que por el tubo de retorno no salga vapor sino solamente agua y mantener caliente el combustible en el tanque principal.
8.2.3. Purgas de la caldera Después de la puesta en marcha diaria de la caldera y antes de dejarla en régimen de funcionamiento, se efectuarán las siguientes purgas: l. En los niveles visuales de agua. 2. En los controles automáticos de nivel. 3. En el de vaciado de la caldera, para desalojar los lodos acumulados en su cuerpo inferior.
Es necesario repetir estas purgas, durante el trabajo diario, como mínimo cada dos horas, coincidiendo con el rearme del temporizador de 120 m.
8.2.4. Apagado de caldera Al finalizar el trabajo para hacer la parada de la caldera se procederá de la forma siguiente: l. Apagar el quemador. 2. Hacer purgas de los controles automáticos y válvula de vaciado de la caldera. 3. No quitar el interruptor general del pupitre eléctrico, ni el de la bomba de ali mentación de agua, ya que al enfriarse la caldera, baja su nivel y es necesario que la bomba actúe para mantener el nivel de agua en la posición normal de trabajo. 4. Para las instalaciones de fueloil seguir las siguientes normas: a) Abrir la válvula de vapor al serpentín del tanque de almacenamiento para consumir el vapor sobrante de la caldera. b) No desconectar el mando de la resistencia eléctrica del depósito nodriza, ya que la misma va accionada por un termostato, para mantener la temperatura constante del combustible. c) Abrir la válvula de desvaporizar, dejándola así hasta la siguiente puesta en marcha.
8.2.5. Mantenimiento y conservación Después de la primera puesta en marcha, se procederá con las siguientes fases: l. Apretado y reajuste de todas las juntas y prensas. 2. Verificaciones diarias: a) Comprobar el buen funcionamiento de los controles automáticos de nivel, ha ciendo una purga prolongada, para probar el arranque y paro del grupo moto bomba de alimentación de agua, el paro del quemador y conexión del claxon de alarma. b) Rearmar el pulsador de bloqueo por bajo nivel. c) Corregir las fugas de los accesorios, colocando empaquetaduras en las pren sas destinados a tal fin, evitando el goteo y desajuste. d) Comprobar y limpiar la célula fotoeléctrica del quemador. e) Verificar el paso del grifo premanómetro. 3. Verificaciones semanales: a) Limpiar y vigilar los filtros de fueloil o gasóleo (el de la línea general y el del quemador) para impedir que la suciedad acumulada dificulte el paso del com bustible. b) Limpiar el filtro anterior al grupo de alimentación de agua para evitar la entra da de suciedades a la misma. c) Limpiar los electrodos y el chiclé del quemador. d) Accionar las válvulas de seguridad, para impedir que por su estado de reposo se puedan agarrotar.
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4. Verificaciones mensuales: a) Vigilar las acumulaciones de lodos en la parte inferior de la caldera, quitando los tapones de registro destinados a tal fin y procediendo a la eliminación de dichos lodos. b) Comprobar el estado del refractario, en la parte que protege el hogar y puer tas de cierre. 5. Verificaciones trimestrales: a) Revisar la totalidad de la caldera, para comprobar el estado de los tubos, hogar y cuerpo interior. b) Revisar el tapón fusible de alma blanda y cambiarle si fuera necesario. c) Hacer una limpieza del pupitre eléctrico y verificar las conexiones y contactores. d) Proceder a la revisión y limpieza del hollín acumulado en los tubos de humo con cepillo espiral, para lo cual se abrirán las puertas delantera y trasera, colocando en las mismas antes de cerrarlas juntas nuevas.
8.2.6. Observaciones generales En ningún caso se deberá introducir agua en la caldera cuando esta haya desaparecido de los niveles visuales, ya que las averías y consecuencias a que pueda dar origen el incumplimiento de este punto son extremadamente graves. Los pasos a seguir cuando el agua no se vea en los niveles son los siguientes: l. Apagar el fuego de la caldera. 2. Cerrar la válvula de salida general de vapor. 3. Dejar enfriar. Para poner nuevamente en servicio la caldera se deberán seguir los siguientes pasos: l. Comprobar si existen deformaciones en el interior de la caldera o fugas de agua. 2. Abrir la válvula de desvaporizar. 3. Introducir agua en la caldera muy lentamente, hasta llegar al nivel normal de trabajo. 4. No vaciar nunca de agua la caldera estando con presión o todavía caliente, pues puede dar origen a averías. 8.2.7. Características del agua de alimentación Se debe seguir siempre las normas UNE-EN 12953-10 para calderas pirotubulares y UNE-EN 12952-12 para calderas acuotubulares para conseguir las características del agua de ali mentación a caldera que garantice una formación de incrustaciones y unas purgas mínimas. 8.2.8. Contacto con el servicio de asistencia técnica del fabricante de la caldera
El contacto permanente con el servicio técnico del fabricante es una garantía para con sultar la resolución de problemas y averías y estar al día de futuras mejoras tecnológicas
Conducción de calderas y su mantenimiento
8.3. MANTENIMIENTO DE LAS REDES DE VAPOR Y CONDENSADO Un sistema completo de medida del caudal de vapor generado y de los consumos de vapor de equipos o secciones de equipos de producción es clave para implantar un pro grama de control y ahorro. Una vez instalado el sistema de medición, los puntos a controlar son:
8.3.1. Purgadores de vapor Para el correcto funcionamiento de un purgador se requiere primero que esté bien se leccionado para la aplicación a la que va destinado y además que su mantenimiento sea el adecuado. Las repercusiones de una mala selección del purgador son múltiples, tener parcial mente inundada de condensados la superficie de intercambio (esto hace el proceso más lento), o tener desgastes elevados en el disco, cuando se trata de purgadores termodi námicos, al sobredimensionar excesivamente el purgador,lo que provoca fugas de vapor a través del purgador con el tiempo. Cuando un purgador falla ocasiona una pérdida energética considerable, por eso conviene incluir los purgadores en un programa de mantenimiento preventivo regular. Los sistemas de inspección que se suelen emplear para realizar un programa de mantenimiento consisten en comprobar la temperatura de entrada del vapor y el flujo que circula. Los métodos más empleados para comprobar el flujo que circula a través del purga dor son: a) Observación mediante un estetoscopio: es la técnica más barata y fácil de utilizar. b) Observación mediante dispositivos ultrasónicos: son análogos a los estetosco pios, pero además tienen amplificación electrónica y son muy útiles para hacer una inspección rápida de los purgadores. c) Observación de las fluctuaciones de temperatura a la entrada del purgador me diante un pirómetro: esta técnica solamente es útil en algunos tipos de purgado res. La medida de la temperatura antes del purgador puede dar una indicación del grado de inundación (retención del condensado) que provoca el purgador. d) Observación visual de la descarga a la atmósfera del purgador: es una técnica evidente y segura, para detectar fugas de vapor cuando la descarga del purgador es a la atmósf era. El empleo de mirillas resulta útil cuando los purgadores des cargan a un circuito cerrado. Como norma general, la instalación de bypass a los purgadores debe reducirse a los estrictamente necesarios, porque si el calentamiento no es suficientemente rápido, el operario tratará de abrir el bypass para empujar al condensado y tendrá vapor vivo saliendo por la tubería y se perderá por el desagüe o por el tubo de venteo del tanque de condensados.
manual práctico del operador de calderas industriales
Conducción de calderas y su mantenimiento
8.3.2. Válvulas Debe establecerse un programa de mantenimiento regular para empaquetar las válvulas y reducir al mínimo las pérdidas debidas a la empaquetadura defectuosa y las válvulas de mayor tamaño se deben abrir y cerrar periódicamente para evitar su agarrotamiento.
8.3.3. Programa de mantenimiento de agua Un adecuado programa de análisis y observación del sistema de tratamiento de agua evitará daños en la instalación.
8.3.4. Instrumentación El sistema de instrumentación constituida por los reguladores de nivel, transmisores de parámetros y demás elementos de regulación debe comprobarse periódicamente.
8.3.5. Aislamientos Un mantenimiento adecuado del aislamiento de las tuberías, mediante una inspección visual de la instalación, contribuye a la consecución de un rendimiento óptimo de la ins talación. Si el aislamiento está protegido, se descubrirá cada tres metros y se observarán las partes húmedas o mojadas por la condensación o por la filtración y las partes erosiona das o corroídas.
8.3.6. Fugas en tuberías Las fugas en tuberías deben ser objeto de campañas de mentalización entre el personal, resultando muy útil establecer un programa para reducirlas, porque cualquier fuga de va por en tuberías, equipos o accesorios, representa una pérdida de energía. Los operarios no reaccionan igual ante una fuga de vapor que de combustible; su reacción sería distinta si la fuga dejara escapar gas natural o fueloil, pero energéticamente, la situación es la misma.
8.3.7. Presencia de aire Otro aspecto a destacar es la presencia de aire en las redes de vapor. La existencia de una película de aire entre la superficie de intercambio y el vapor, además de reducir la transmisión de calor, disminuye su temperatura. Este problema se hace especialmente patente en las puestas en marcha de la instalación de vapor,tras un paro de la misma. El aire ofrece una resistencia a la transmisión de calor unas 1.500 veces mayor que el acero al carbono o 500 veces superior al inoxidable, un film de 1milímetro de aire equivale a incrementar la superficie de intercambio en un espesor de acero de 150 cm,
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manual práctico del operador de calderas industriales de ahí la importancia de eliminar el aire de la instalación usando purgadores de
aire que permiten evacuar mezclas de aire y vapor. ID e
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8.3.8. Arrastres de agua con vapor Los arrastres en las líneas de vapor son frecuentes, de ahí la presencia de equipos sepa radores de gotas y purgadores adecuados para facilitar que el vapor se distribuya a una temperatura ligeramente superior a la del punto de utilización garantizando así que el vapor suministrado sea un vapor seco o recalentado, pero nunca húmedo.
8.4. MA NTENIMIENTO DE EQUIPOS DE UTILIZACIÓ N:
CO N DENSADO R ES Y CAM BIADO R ES DE CALO R
Un intercambiador o un condensador de calor sin corrosiones, fugas y obstrucciones en sus tubos es una unidad fiable y con buen rendimiento y evita costes innecesarios de paradas, tratamientos químicos, etc. Numerosos métodos son empleados para aumentar el rendimiento de estos equipos de intercambio de calor,desde el empleo de técnicas de limpieza hasta el uso de nuevos materiales para los tubos. La limpieza con ácido está limitada a una vez por año y el empleo de ciertos produc tos en base cloro se está eliminando en muchos países por problemas medioambienta les, por eso la limpieza mecánica del haz de tubos de los condensadores y cambiadores de calor,manual o automática, parece ser la más extendida. Los métodos manuales incluyen las limpiezas periódicas con adaptadores, cepillos, pasadores y herramientas especiales. Hay otras posibilidades de ahorro de energía en estos equipos, como mejorar el aislamiento, control de las temperaturas de entrada y salida de ambos fluidos y control automático de los caudales, pero lo mejor es hacer un programa de ahorro de energía.
8.4.1. Programa de ahorro de energía No existe un programa de ahorro de energía de aplicación universal, cada instalación requiere un programa específico que es necesario preparar.El programa se desarrolla en varias fases. Inicialmente las fases se suceden en orden cronológico, pero en muchas ocasiones, antes de que se termine el análisis de la instalación se realizan aquellos ajustes y correcciones que no ofrecen dificultad y que pueden suponer un ahorro importante. Las fases serían las siguientes: 1 .ª fase. Designación del responsable o jefe de programa: debe ser un técnico con atribuciones definidas para cumplir su misión, contará con personal colaborador, presu puesto adecuado y todo tipo de datos de otros departamentos.
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Conducción de calderas y su mantenimiento 2.ª fase. Análisis de la instalación y localización de las pérdidas: consiste en el estu dio de la distribución de la energía, el balance de energía de cada equipo y la realización de una auditoria energética. 3.ª fase. Estudio de la causa de cada pérdida: puede desarrollarse simultáneamente con preparación de la auditoria energética. Para ayudar a su estudio, se recogen, como ejemplo, algunas pérdidas de las más frecuentes.
a) Pérdidas evitables mejorando el mantenimiento: • Fugas de vapor,aire comprimido, agua, etc. • Deficiente regulación de quemadores. • Aislamiento térmico deficiente o en mal estado. • Equipo en marcha cuando no es necesario. b) Pérdidas evitables mejorando regulación y control: •Inadecuado exceso de aire de combustión. • Excesivas purgas en calderas. • Averías o accidentes por protección insuficiente. 4.ª fase. Realización de las modificaciones: del estudio de las pérdidas de energía surgen los procedimientos para evitarlas; algunos son simples ajustes o modificaciones que no requieren inversión, pero otros requieren inversiones más o menos importantes. En ambos casos se debe comprobar su viabilidad técnica y económica, además de su puesta en práctica. Los procedimientos que requieren inversión deben superar otra prueba, la del es tudio económico, valorando el coste de la modificación y los beneficios económicos que produce. 5.ª fase. Control energético permanente: permite obtener rápidamente los índices energéticos más significativos y valorar las pérdidas producidas por desviaciones del régimen óptimo. Un balance de energía conducirá a los mencionados índices energéticos de forma rápida y sencilla.
8.5. PRIMERA PUESTA EN MARCHA Cuando una caldera se arranca por primera vez es necesario respetar una serie de pau tas para comprobar que lo que indica el fabricante es lo que se va a obtener y además hacerlo tomando una serie de precauciones.
8.5.1. Precauciones iniciales a) Asegurarse que la caldera se ha inspeccionado y tiene las autorizaciones de
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ins talación y de puesta en servicio. b) Comprobar que en las partes en contacto con el agua y en las que van a estar en contacto con los humos no hay personas ni objetos extraños antes de cerrarlas. c) Eliminar todo tipo de objetos ajenos a la caldera que se encuentren en su interior. d) Comprobar que la cámara de combustión y los pasos de los gases están limpios y bien cerrados y que no hay restos de combustible. e) Antes de introducir combustible en el hogar,comprobar que los componentes del sistema de combustión están operativos, accionar todos los componentes del sistema de tiro y todos los elementos del sistema de control automático y asegu rarse que están en buenas condiciones de funcionamiento.
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manual práctico del operador de calderas industriales
f) Antes de encender el quemador,comprobar el funcionamiento de todos los dispo sitivos de regulación y de seguridad. g) Comprobar que están cerradas las válvulas de purga, columnas de agua y válvu las de drenaje de los indicadores de nivel, válvulas de toma de muestra y válvulas y controles de agua de alimentación. h) Comprobar que están abiertas las válvulas situadas entre la caldera y la columna de agua, así como las válvulas de cierre de los indicadores de nivel. i) Antes de llenar la caldera con agua, abrir las válvulas de venteo de los domos de la caldera, sobrecalentador,válvulas de drenaje del colector del sobrecalentador o economizador.
8.5.2. Llenado a) Llenar la caldera con agua tratada adecuadamente, hasta el nivel de operación mínimo recomendable o hasta el nivel indicado por el fabricante. Llenar la caldera con agua a temperatura ambiente (no llenar con agua excesivamente fría, siem pre que sea posible) y cerrar las conexiones de alimentación. b) Comprobar el manómetro principal de la caldera y que las válvulas de seguridad están operativas. c) Comprobar que la válvula principal de vapor no está agarrotada, mediante unos ligeros movimientos de apertura-cierre. d) Si las paredes del hogar tienen gran cantidad de material refractario debe man tenerse un cierto tiempo un régimen bajo de fuego para secarlo completamente de forma lenta y gradual. Cuando el revestimiento refractario es nuevo, el secado puede requerir bastante tiempo. e) Como norma general, siempre se seguirán las instrucciones del fabricante.
8.5.3. Cocción Cuando una caldera nueva se va a poner en servicio por primera vez, hay que someterla a una operación denominada cocción con una solución detergente alcalina, siguiendo las instrucciones del fabricante. Un procedimiento de cocción habitualmente empleado consiste en lo siguiente: a) Llenar inicialmente la caldera hasta la mitad de la mirilla de cristal del nivel, pre feriblemente con agua algo caliente. b) Disolver completamente por cada 1.000 kg de agua contenidos en las partes a pre sión de la caldera, 2 kg de cada uno de los siguientes reactivos: carbonato sódi co, fosfato trisódico y sosa cáustica, e introducir esta solución gradualmente en el agua, preferentemente a través del registro de hombre situado en la parte superior.
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Conducción de calderas y su mantenimiento
c) Añadir un detergente sintético no espumante y estable, en una solución fuerte mente alcalina.
d) Cerrar la caldera y encender con fuego ligero, suficiente para tener una circula ción positiva en todas las partes de la caldera. e) Continuar la cocción durante dos días y finalizar con la purga total de la caldera. f) Comprobar que se ha formado magnetita en las partes férreas en contacto con el agua y con el vapor y si no ha sido así, repetir el proceso.
8.6. PU ESTA EN SERVICIO Una vez que se ha comprobado que la primera puesta en marcha ha sido satisfactoria, en lo sucesivo, para hacer la puesta en servicio, las pautas a seguir son diferentes y hay que hacerlo de una forma sistemática, siguiendo siempre las indicaciones del fabricante. 8.6.1. Proceso de encendido del quemador
Para el proceso de encendido del quemador deben seguirse las siguientes pautas: a) Antes de encender cualquier tipo de llama, debe hacerse un barrido o ventilación con aire de todo el espacio del lado del fuego de la caldera, para evacuar todos los gases combustibles que pudieran haber quedado en el circuito de humos. El tiempo de barrido debe ser el que establezca el fabricante y suficiente para introducir en la caldera un volumen de aire de, al menos, dos veces el volumen del circuito de humos para combustibles sólidos o líquidos o de cuatro veces dicho volumen si se trata de combustibles gaseosos. b) Después del barrido se procederá a hacer el encendido del combustible principal, que se hará de forma diferente en función de que el combustible sea sólido, sóli do pulverizado, líquido o gaseoso. c) El equipo de combustión no debe operar a regímenes excesivamente bajos (pue de interrumpirse el proceso de ignición y la combustión ser incompleta) o excesi vamente altos (podría dañarse la caldera). Después de un paro prolongado, para la puesta en servicio se mantendrá el fuego bajo durante una hora aproximadamente. El período más crítico es cuando se calienta el agua hasta el punto de ebullición, ya que la circulación es lenta e irregular y aumenta considerablemente después de iniciarse la formación de vapor. 8.6.2. Cesión de vapor
Al elevar la presión desde la condición de frío, se debe abrir la válvula principal de vapor lentamente. 8.6.3. Manómetros
Se debe verificar frecuentemente los manómetros de la caldera, comprobando que siem pre estén visibles, sin agua en su interior y limpios, y haciendo comprobaciones periódi cas con un manómetro patrón, que asegure que la medida es correcta.
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manual práctico del operador de calderas industriales 8.6.4. Niveles de agua
Cuando se ponga en servicio la caldera, para asegurarse una indicación correcta de nivel, se debe purgar el agua de las columnas de agua y sustituirla por agua caliente de la caldera.
8.6.5. Válvulas de seguridad En todo momento, las válvulas de seguridad se deben mantener todas operativas y en condiciones de trabajo.
8.6.6. Equipo de purga Antes de poner la caldera en servicio, comprobar que todos los elementos de purga de la caldera se encuentran en buenas condiciones de trabajo.
8.6.7. Espumas Si la caldera presenta algún problema de espumas, bajar el régimen de la caldera (bajar el caudal de combustible y el de aire), abrir la aireación del sobrecalentador y las purgas, cerrar la salida de vapor lo necesario para determinar el verdadero nivel de agua en la mirilla y tomar una muestra de agua de calderas para comprobar la concentración de sales en el agua de caldera y otra del agua de alimentación para asegurarse que está en correctas condiciones. Si no se puede corregir la anomalía, reducir la carga hasta que el nivel de agua sea relativamente estable y,en caso extremo, dejar la caldera fuera de servicio. Si la caldera dispone de purga superficial, utilizarla, y si la espuma persiste, reducir el régimen de la caldera y continuar con las purgas, alimentando con agua para mantener el nivel. Si el problema persiste, poner la caldera fuera de servicio.
8.6.8. Purgas de lodos Se debe comprobar el correcto funcionamiento de la válvula de interrupción y la de aper tura rápida por palanca o hacer lo mismo si la válvula es mixta de cierre y descarga rápida.
8.7. PUESTA FUERA DE SERVICIO Para poner fuera de servicio una caldera hay que llevar a cabo tres operaciones, parada, vaciado y limpieza, de la forma que se indica a continuación:
8.7.1. Parada Se debe comenzar por bajar la presión de la caldera, siguiendo con el corte del sumi nistro de combustible al quemador, aunque debe mantenerse la combustión 180
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un cierto tiempo para que no quede combustible remanente en el hogar, dejando que se enfríe el
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refractario y la caldera en su conjunto, y finalmente se debe abrir la válvula de aireación para evitar la formación de vacío en el interior de la caldera. En todas estas operaciones hay que seguir las recomendaciones del fabricante.
8.7.2. Vaciado Hay que dejar enfriar el refractario hasta que la temperatura del agua de la caldera sea inferior a unos 90 ºC aproximadamente, entonces se procede al vaciado. Si la caldera que se va a vaciar está en batería con otras, hay que asegurarse de que solamente se abren las válvulas de purga correspondientes a la caldera en cuestión. Con la caldera vacía se debe cerrar las válvulas de purga y abrir los registros de boca de hombre y,sí es necesario, las tapas de otras aberturas.
8.7.3. Limpieza Se debe limpiar las acumulaciones de escoria u hollín una vez esté la caldera fría, evitan do inyectar agua por debajo de los depósitos grandes de hollín porque podría producirse una explosión. Hay que asegurarse que los quemadores están parados, ventilar la zona de humos para eliminar la presencia de gases inflamables y comprobar que las válvulas principa les, las de purga, las del agua de alimentación y las demás válvulas están cerradas y bloqueadas. Si la caldera va a estar fuera de servicio durante un período largo, hay que seguir las instrucciones de conservación en paro prolongado.
8.8. CAUSAS QUE HACEN AUMENTAR O DISMINUIR LA PRESIÓN Asumiendo que el diseño y la fabricación de la caldera son los correctos y que sus ele mentos y demás accesorios funcionan adecuadamente, los eventuales aumentos o dis minuciones de presión que se produzcan en la caldera pueden deberse a alguna de las causas siguientes: a) Fugas en válvulas, juntas, etc. b) Excesiva presión en el agua de alimentación en calderas de vapor. c) Un bajo caudal del fluido caloportante en calderas de agua sobrecalentada, sobre- calentadores, recalentadores y calderas de fluido térmico de circulación forzada. d) Alteraciones de presión del combustible, en las calderas con combustibles líquidos. e) Fallos del aire de combustión. f) Fallos mecánicos, como mal funcionamiento de las válvulas de seguridad, entre otras causas. En general, el operador de caldera tratará de determinar cuáles son las causas de
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las oscilaciones de la presión, subsanarlas si puede y,en caso extremo, poner la caldera fuera de servicio.
8.9. VARIACIO N ES DE NIVEL EN LA CALDERA Mantener constantemente el nivel de agua en la caldera en el valor correcto es prioritario para que la operación sea eficiente y segura. Ello comporta las siguientes consideraciones: a) Debe compararse las lecturas de los elementos de medida de nivel de agua por métodos diferentes, si están disponibles, para detectar lecturas contradictorias o diferentes. b) En los cambios de turno, el operador debe asegurarse que las válvulas situadas entre la caldera y los indicadores de nivel se encuentran abiertas. c) Vigilar las fugas de vapor o de agua en la columna de agua porque provocarán un falso nivel. d) Los extremos de las salidas de las tuberías de drenaje de la columna de agua, mirilla de cristal y válvula de purga permanecerán a la vista del operador de la caldera y abiertos. e) Si las causas del descenso de nivel son a consecuencia de las condiciones de operación, a menos que se conozca con certeza el origen de estas causas, no debe variarse el caudal de agua de alimentación, ni la posición de las válvulas de salida de vapor,ni hacer cambios bruscos en la operación de la caldera. f) Cuando se observa un descenso brusco en el indicador del nivel de agua, pue de que el caudal de agua de alimentación no sea el adecuado (por fallo en la bomba de alimentación o en las válvulas, o por alguna obstrucción de la tubería de alimentación), o que el indicador de nivel está mal (rotura, fugas, etc.). Si la situación lo permite (por seguridad) se debe revisar toda la línea de alimentación, incluidas las bombas, las válvulas y otros accesorios y, en caso contrario, debe procederse a la puesta fuera de servicio de la caldera.
8.10. CO M U NICACIÓ N O IN CO M U NICACIÓ N DE U N A CALDERA CO N OTRAS Para comunicar varias calderas mediante un colector común hay que tener en cuenta ciertas precauciones para evitar golpes de ariete y variaciones de temperatura excesivos en la tubería, para lo cual hay que drenar el condensado que se haya podido formar y pre calentar adecuadamente dicha tubería, mediante válvulas de bypass del colector.Cuando en la tubería se ha alcanzado la temperatura y la presión de la línea de vapor, se debe abrir lentamente la válvula principal de entrada del colector y cerrar la válvula de bypass. Si las calderas son de diferentes presiones de trabajo permitidas y están conecta
das a un mismo colector de vapor, debe ajustarse la válvula de seguridad a una presión tal que permita abrir a la presión de la caldera de menor presión. Como norma general conviene tener en cuenta: • En instalaciones de calderas intercomunicadas que operan a presiones de vapor diferentes, las calderas de menor presión dispondrán de válvulas de retención.
• Los colectores de vapor de baja presión y sus ramales deben protegerse con vál vulas de seguridad. • Las válvulas de seguridad instaladas en colectores estarán conectadas directa mente a dicho colector sin válvulas intermedias. • Para incomunicar una caldera conectada a un colector común con otras calderas se debe seguir los mismos pasos que en la comunicación, pero en sentido inverso.
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R EVISIO N ES Y LIM PIEZAS PERIÓ DICAS Para hacer las revisiones y limpiezas periódicas de las calderas, se debe seguir las ins trucciones del fabricante, ya que según la ITCIP- Calderas, el fabricante está obligado e entregar al usuario de la caldera un libro de instrucciones concernientes, entre otros puntos, a los "trabajos de mantenimiento y frecuencia de los mismos". También es conveniente que el personal esté involucrado en la operación, revise pe riódicamente el funcionamiento y las condiciones en que se encuentra la caldera, infor mando de cualquier defecto serio, condiciones dudosas o situaciones anormales que de tecte. Si se realiza una reparación importante, se deberá realizar una prueba hidrostática. Los conceptos a tener en cuenta en una revisión son los siguientes: • Alineación de la caldera. • Existencia de corrosión. • Existencia de fugas. • Válvulas de seguridad. •Indicadores de nivel, válvulas, alarmas, purgas, etc. • Posible erosión en los tubos de la caldera. • Posibles grietas. Debe marcarse un plan de revisiones periódicas a realizar por el personal encar gado de la conducción de una caldera y del servicio de mantenimiento, con frecuencias diaria, semanal, mensual, semestral y anual, marcando en cada caso las actividades a realizar. ·1:
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8.12. MA N T E N I M I E N T O E N P A R O P R O L O N G A D O
Cuando una caldera se pare por un período de tiempo prolongado, debe limpiarse por dentro antes de ponerse nuevamente en servicio. Si hay incrustaciones y corrosiones que no se eliminen por simple lavado debe procederse a hacer una limpieza química interna. Una vez parada la caldera, se dejará que se enfríe y posteriormente se procederá al vaciado y lavado. Con la caldera puesta fuera de servicio se hará una inspección para determinar las reparaciones, limpieza química o mecánica a realizar,si se requiere, y se decidirá si la conservación es en estado seco o en estado húmedo.
8.12.1. Conservación húmeda Este tipo de conservación se hace cuando la caldera va a estar fuera de servicio por un período corto de tiempo o puede ponerse en servicio de forma repentina. Este procedi miento no debe utilizarse en recalentadores, ni en calderas instaladas en lugares donde pueda alcanzarse temperaturas bajo cero. El procedimiento consiste en: una vez vaciada, limpiada y cerrada la caldera, llenar la a tope con condensado o con agua de alimentación, pero siempre añadiendo aditivos químicos (sosa cáustica y sulfito sódico) y mantener una presión en su interior algo ma yor que la atmosférica durante todo el período de conservación, para que no entre aire exterior,para evitar la corrosión.
8.12.2. Conservación seca Este tipo de conservación se hace cuando la caldera va a estar fuera de servicio durante un período largo de tiempo. Este procedimiento, en contraposición con el anterior, sí está indicado para recalentadores y para calderas instaladas en lugares donde puedan alcanzarse temperaturas bajo cero. El procedimiento consiste en: una vez limpia la caldera, debe secarse perfecta mente, para minimizar la corrosión, evitando la entrada de humedad. Para ello, pueden colocarse, en el interior, absorbentes de humedad (gel de sílice) y cerrar las bocas de hombre y las conexiones de la caldera. Además deben hacerse inspecciones regulares del interior de la caldera para comprobar la necesidad de renovar los absorbentes in troducidos o el estado de las superficies. También se recurre a circular aire seco por el interior de la caldera.
8.13. REVISIÓN DE AVERÍAS De forma habitual, el operador de calderas es el que detecta las anomalías de funciona miento normal de la caldera y el que suele localizar un gran número de averías, actuando sobre las causas que las motivan, subsanándolas en ciertas ocasiones, o transmitiendo al servicio de mantenimiento el resto de los casos. Las averías más frecuentes que se presentan están relacionadas con la alimentación eléctrica de los equipos, la regulación automática, el equipo de combustión, la alimenta ción o el tratamiento de agua, etc. Si la avería está relacionada con una presión anormalmente elevada, nivel bajo de agua, deformaciones mecánicas o calentamientos excesivos, se debe dejar la caldera fuera de servicio. El fabricante de la caldera proporciona un listado de las averías más frecuentes y sus posibles causas, facilitando la localización de estas de una forma sistematizada. Las averías son muy variadas, a modo de ejemplo se citan algunos casos que pueden presentarse:
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a) El quemador no arranca. b) El quemador arranca pero se para porque el dispositivo de seguridad desconecta la corriente eléctrica. c) El quemador no para. d) El fuego se extingue mientras funciona el quemador. e) Los fusibles se funden. f) La combustión es defectuosa. g) No se alcanza la presión de consigna del vapor. h) El vapor generado es húmedo. i) Hay oxidación localizada en el interior de la caldera. Como norma general, para cada uno de estos problemas hay que hacer un análi sis exhaustivo, porque, normalmente, puede haber más de una causa que lo ocasionen. Para facilitar la compresión de cómo hacer este análisis, a continuación se muestran dos ejemplos.
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Ejemplo 8.1.
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Al ir a poner en marcha la caldera se observa que no arrancan el quemador y el ventilador de alimentación del aire de la combustión. Las posibles causas que pueden estar ocasionando el problema son: el nivel de agua en la caldera es bajo, no llega corriente eléctrica al cuadro de alimentación de moto res y tampoco al pupitre de mandos, por haber saltado el relé térmico, etc. Una vez listadas las causas posibles, hay que verificar, una por una, hasta encontrar la verdadera causa que está ocasionando la avería y corregirla.
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Ejemplo 8.2.
La caldera que está produciendo un vapor húmedo, como consecuencia de una defi
ciente regulación del nivel de líquido, que a su vez provoca arrastres de líquido con el vapor. Este vapor alimenta a una turbina de vapor. El líquido arrastrado lleva incrustantes y gotas al vapor. Este es un caso real en el que los incrustantes taponaron la malla del filtro antigotas de protección a la turbina, haciendo implosionar dicho filtro y consecuentemente dejando pasar agua hacia la turbina de vapor. La Figura 8.1 muestra el estado del filtro antigota de protección de la turbina de vapor de una instalación de cogeneración.
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Figura 8.1. Estado del filtro a ntigota de protección de la turbina de vapor. Al dejar pasar líquido con el vapor a la turbina, el rodete, que giraba a 15.000 r.p.m. se desequilibró y las consecuencias fueron catastróficas para la misma, quedando en un estado inser vible, con importantes pérdidas económicas. Como se puede observar, las averías a veces también se produ cen en elementos ane jos a la caldera, como consecuencia de un mal funcionamiento de la misma.
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•• En esta unidad se hace una breve historia de la evolución de la normativa legal, desde la aparición del primer reglamento en 1979, hasta el actualmente en vigor publicado en el año 2008. Además, se ha creído conveniente transcribir un extracto del BOE del reglamento, en lo referente a calderas, tanto del reglamento como de laInstrucción Técnica Complementaria, así como del artículo 9 del RD 769/1999, por ser citado en numerosas ocasiones en el reglamento de equipos a presión, para que sirva de guía y de consulta a todo el personal implicado en la conducción y mantenimiento de la caldera y sus instalaciones anejas.
Contenidos 9.1. ntroducción 9.2.Clasificación de los equipos a presión: Artículo 9 del RD 769/1999, de 7 de mayo 9.3.Reglamento de equipos a presión: ITC EP-1- Calderas
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9.1. INTRO DU CCIÓ N Por el Reglamento de aparatos a presión, aprobado por el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, se regularon todos los aspectos a tener en cuenta en relación con el diseño, fabricación, reparación, modificación e inspecciones periódicas de los aparatos someti dos a presión. La Comunidad Económica Europea y posteriormente la Unión Europea han venido a dictar directivas de aplicación sobre determinados equipos o aparatos a presión que han modificado el Reglamento de aparatos a presión aprobado en 1979. Así,el Real Decreto 473/1988, de 30 de marzo, transpuso la Directiva 76/767/CEE sobre aparatos a presión; el Real Decreto 1495/1991, de 11 de octubre y el Real Decreto 2486/1994, de 23 de diciembre, las Directivas 87/404/CEE, 90/488/CEE y 93/465/CE sobre recipientes a pre sión simples; el Real Decreto 2549/1994, de 29 de diciembre, las Directivas 75/324/CEE y 94/1 /CEE sobre generadores de aerosoles; el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, la Directiva 97/23 /CE, relativa a los equipos a presión, estableciendo nuevos criterios para el diseño, fabricación y evaluación de la conformidad y el Real Decreto 222/2001, de 2 de marzo, junto con la Orden CTE/2723/2002, de 28 de octubre y el Real Decreto 2097/2004, de 22 de octubre, las Directivas 1999/36/CE, 2001/2/CE y 2002/50/CE, so bre equipos a presión transportables. Por otra parte, en la actualidad, teniendo en cuenta la experiencia adquirida con la aplicación de toda esa normativa, parece necesario abordar la actualización y revisión de la regulación de los equipos a presión. El tiempo transcurrido desde la publicación del referido Reglamento de aparatos a presión, la experiencia adquirida en su aplicación y los nuevos criterios establecidos por las transposiciones de las directivas, hacen necesario actualizar y revisar los requisitos del citado Reglamento. Por el presente Real Decreto se aprueba un nuevo reglamento por el que se es tablecen los requisitos para la instalación, puesta en servicio, inspecciones periódicas, reparaciones y modificaciones de los equipos a presión, con presión máxima admisible superior a 0,5 bares, entendiéndose como tales los aparatos, equipos a presión, con juntos, tuberías, recipientes a presión simples o transportables. Además, se aprueban instrucciones técnicas complementarias para determinados equipos o instalaciones. Las personas físicas extranjeras que puedan resultar implicadas directa o indirectamente por el contenido de este Real Decreto, deberán cumplir la normativa vigente en materia de extranjería e inmigración y,en particular,en lo relativo al desarrollo y ejercicio de activi dades empresariales, laborales, económicas o profesionales. El reglamento que ahora se aprueba complementa la legislación de equipos a presión prevista en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las
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Reglamento de equipos a presión
disposicio nes de aplicación de la Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo, 97/23/CE, rela tiva a los equipos a presión y se modifica el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, que
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aprobó el Reglamento de aparatos a presión. El citado Real Decreto, únicamente regula los requisitos para el diseño, fabricación y certificación de la conformidad de los equipos a presión. El Real Decreto 2060/2008 por el que se aprueba el Reglamento de equipos a pre sión (REP) publicado en el BOE n.º 31 del 05-02-2009, que incluye las nstrucciones téc nicas complementarias - ITC EPl a EP6, deroga el Reglamento de aparatos a presión del año 1979 y las respectivas ITC publicadas posteriormente. El actual REP complementa la legislación de equipos a presión prevista en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo 97/23 /CE, relativa a los equipos a presión. Esta evolución de la normativa se resume en la Figura 9.1.
Reglamento de aparatos a presión
RD RD 1244/1979 473/1988 CE
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8 ._....R.(_AD_P2-s4i8m61p_1l9e_9s_4) ,i--•::.
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_ Aerosoles
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......R_ D 25_4_9/1_99_4 ,i--•O
RD 769/1999
Nuevo sello CE
V
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_R_o_2_22_1_20_01 --••
8 Reglamento de equipos a presión
RD 2060/2008
Figura 9.1. Evolución de la normativa legal.
manual práctico del operador de calderas industriales
El Reglamento de equipos a presión comprende 4 capítulos con 15 artículos y 4 ane xos: constituye el objetivo de este reglamento el establecimiento de las normas y crite rios de seguridad para la adecuada utilización. Capítulo I. Disposiciones generales. Artículos 1y 2. Capítulo II.Instalación y puesta en servicio. Artículos 3, 4 y 5. Capítulo III. nspecciones periódicas, reparaciones y modificaciones. Artículos 6, 7 y 8. Capítulo V. Otras disposiciones. Artículos 9, 10, 11,12, 13, 14 y Anexo I. 15. Empresas instaladoras y reparadoras de equipos a Anexo II. presión. Requisitos para la instalación y puesta en servicio de instalaciones. Anexo II. Inspecciones periódicas. Anexo V. Documentos para instalación, inspecciones periódicas, reparación y modificación. De las ITC la referente a CALDERAS es la EP 1, que consta de 6 capítulos con 15 artículos y 4 anexos: Capítulo I. Ámbito de aplicaciones y definiciones. Artículos 1y 2. Capítulo II.Instalación y puesta en servicio. Artículos 3, 4, 5, 6,7 y 8. Capítulo III. nspecciones periódicas, reparaciones y modificaciones. Artículos 9, 10 y 11. Capítulo V. Otras disposiciones. Artículos 12 y 13. Capítulo V. Calderas de recuperación de lejías negras. Artículo 14. Capítulo VI. Normas. Artículo 15. Anexo I. Inspecciones y pruebas periódicas de calderas. Anexo II. Operadores industriales de calderas. Anexo II. Libro de la instalación. Anexo V. Normas UNE. Cabe destacar que el actual Reglamento de equipos a presión y su ITC EP-1 hacen mención en cuantiosas ocasiones al artículo 9 del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por lo que se ha creído conveniente extractar la parte concerniente al REP referido.
9.2. CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS A PRESIÓN:ARTÍCULO 9 DEL RD 769/1999, DE 7 DE MAYO 1. Los equipos a presión contemplados en el apartado 1del artículo 3 se clasificarán
por categorías, conforme al anexo II, en función del grado creciente de peligrosidad. A efectos de dicha clasificación, los fluidos se dividirán en dos grupos conforme a los apartados 2.1y 2.2. 2. Tipos de fluidos.
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Reglamento de equipos a presión 2.1. En el grupo 1se incluyen los fluidos peligrosos, definidos como: Explosivos. Extremadamente inflamables. Fácilmente inflamables.
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Inflamables (cuando la temperatura máxima admisible se sitúa a una temperatura superior al punto de inflamación). Muy tóxicos. Tóxicos. Comburentes. 2.2. En el grupo 2 se incluyen todos los demás fluidos no contemplados en el "apar tado 2.1". 3. Cuando un recipiente esté formado por varias cámaras, el recipiente se clasificará en la categoría más alta de cada cámara individual. Cuando una cámara contenga varios fluidos, la clasificación se realizará en función del fluido que requiere la categoría de mayor riesgo. En el Anexo Idel Real Decreto 769/1999 del 7 de mayo, en su apartado "3.2.2. Prue ba", se indica que la verificación final de los equipos a presión deberá incluir una prueba de resistencia a la presión que normalmente se realizará en forma de una prueba de presión hidrostática a una presión al menos igual, cuando proceda, al valor establecido en el apartado 7.4 En dicho apartado "7.4 Presión de prueba hidrostática", se indica que para los re cipientes a presión, la presión de prueba hidrostática contemplada en el apartado 3.2.2 deberá ser,como mínimo, igual al más elevado de los dos valores siguientes: • La presión Pms de la instalación multiplicada por 1,43, o • La presión Pms de la instalación multiplicada por un factor que tenga en cuenta la mayor resistencia de los materiales a la temperatura de prueba respecto a la temperatura Tms y multiplicada así mismo por 1,25. No obstante lo anterior, en ningún caso podrá superarse la presión de prueba que corresponda a cada equipo a presión. Las categorías conforme al Anexo IIse definen a partir de la Figura 9.2. PS
Donde: PS (presión máxima admisible): definida como "la presión máxima para la que esté diseñado elequipo, especificada por el fabricante". deberá ser superior a 0,5 bar. V (volumen): definido como "el volumen interno de una cámara, incluido el volumen de las tubuladuras hasta la primera conexión o soldadura y excluido el volumen de los elementos internos permanentes", deberá ser superior a 2 litros.
(bar)
10000
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1000
PS = 1000
200
PS = 200
®
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100
11
>
10 Apa rtado 3 del articulo 3
0, 1
10
100
1 000
10000
V(I)
Figura 9.2. Ábaco de cálculo.
Así mismo, otras indicaciones importantes que constan en las Disposiciones Genera les del RD 2060/2008 que aprueba el REP hacen referencia a: Las personas físicas extranjeras que puedan resultar implicadas directa o indirec tamente por el contenido de este Real Decreto deberán cumplir la normativa vigente en materia de extranjería e inmigración y,en particular,en lo relativo al desarrollo y ejercicio de actividades empresariales, laborales, económicas o profesionales. Las prescripciones de este Reglamento y susInstrucciones técnicas complementa rias se aplicarán sin perjuicio de las disposiciones establecidas en la normativa de la ley de prevención de riesgos laborales. También se especifica cómo afecta a las instalaciones anteriores a la publicación de este REP. En cuanto a la formación obligatoria del personal encargado de conducir las calderas específicas: Disposición transitoria cuarta. Carnés de operador industrial de calderas. • Los carnés de operador industrial de calderas que cumplan con las condiciones que establecía el anterior Reglamento de aparatos a presión, aprobado por Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, y expedidos con anterioridad a la entrada en vigor del Reglamento que se aprueba por el presente Real Decreto, seguirán te niendo validez. • Los establecimientos con instalaciones de calderas que por la anterior ITC MIE AP-1 no requerían de carné de operador industrial de calderas y para las que se requiere por la presente ITC EP-1 del Reglamento de equipos a presión, dis pondrán de un plazo de tres años para acreditar la capacitación del personal de operación de la instalación. A estos efectos, los operadores con experiencia demostrada en el manejo de calderas en los dos años anteriores a la entrada en vigor del presente Real Decreto podrán obtener el carné, previa superación de un curso de capacitación, impartido por entidades autoriza das por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, de una duración mínima de 20 horas. Y además cumplir las condiciones exigidas en el artículo 13.3 de la ITC EP-1.
9.3. REGLAMENTO DE EQUIPOS A PRESIÓN. ITC EP-1 - CALDERAS El Reglamento de equipos a presión engloba a todos los equipos que trabajan a presión, pero como este libro solo hace referencia a las calderas se ha extractado la parte del reglamento referido a calderas y la ITC EP-1 - Calderas.
9.3.1. Reglamento de equipos a presión (extracto referido solamente a calderas)
Artículo único. Aprobación del Reglamento de equipos a presión y las nstrucciones técnicas complementarias EP-1 a EP-6.
Reglamento de equipos a presión l. Se aprueba el Reglamento de equipos a presión, que se inserta a continuación. Así mismo, se aprueban las nstrucciones técnicas complementarias ITC EP-1 sobre calderas, ITC EP-2 sobre centrales generadoras de energía eléctrica, ITC EP-3 sobre efine rías y plantas petroquímicas, ITC EP-4 sobre depósitos criogénicos, ITC EP-5 sobre botellas de equipos respiratorios autónomos y la ITC EP-6 sobre recipientes a presión transporta bles, que se insertan tras dicho Reglamento. Las prescripciones de este Reglamento y susInstrucciones técnicas complementa rias (ITC) se aplicarán sin perjuicio de las disposiciones establecidas en la normativa de prevención de riesgos laborales.
Disposición adicional primera. Equipos a presión existentes. 1. Equipos a presión no sujetos a lo establecido en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva del Parla mento Europeo y del Consejo, 97/23 /CE, relativa a los equipos de presión y se modifica el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, que aprobó el vigente Reglamento de aparatos a presión. a) Los equipos a presión (aparatos a presión, recipientes a presión simples, equipos a presión, conjuntos, las tuberías y los recipientes a presión transportables que se utili cen de forma permanente en instalaciones fijas) con presión máxima admisible superior a 0,5 bares cuya instalación y puesta en servicio se hubiese efectuado con anterioridad a la entrada en vigor del presente Real Decreto, seguirán rigiéndose por las prescripciones técnicas que les fueron de aplicación en el momento de su puesta en servicio. No obstante lo anterior,a los efectos de aplicación de las prescripciones del Regla mento de equipos a presión, estos equipos se asimilarán a las categorías Ia V a que se refieren el artículo 9 y anexo IIdel Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o a los equipos y/o conjuntos a los que se refiere el artículo 3.3 de dicho Real Decreto. b) Las inspecciones periódicas de los equipos a presión del epígrafe a) que se asimi len a las categorías Ia V se realizarán de acuerdo con lo que se establece en el artículo 6 del Reglamento de equipos a presión y,en su caso, la correspondiente ITC. A estos efectos, deberán colocar la placa de inspecciones periódicas indicada en el anexo IIdel Reglamento de equipos a presión, considerando como fecha de partida para contabilizar los plazos: Inspecciones de nivel A y B: la de entrada en vigor del presente Real Decreto. Inspecciones de nivel C: En caso de que se haya realizado alguna inspección periódica con prueba hidrostá tica, realizarán la prueba cuando le corresponda el vencimiento del plazo otorgado en la última inspección periódica. La siguiente se realizará según los plazos indicados en el anexo IIIdel Reglamento de equipos a presión.
manual práctico del operador de calderas industriales En caso de no haber realizado ninguna inspección periódica con prueba hidrostática, se atenderá a los nuevos plazos indicados en el anexo IIIdel Reglamento de equipos a presión contados desde la fecha de fabricación o instalación.
La presión de prueba hidrostática a la que deban realizarse las inspecciones de nivel C será la correspondiente a la que le sea de aplicación de acuerdo con las condiciones con las que fueron fabricados y el reglamento que les era de aplicación en el momento de su puesta en servicio. c) Los equipos a presión, que por aplicación del anterior apartado a) se asimilen al artículo 3.3 del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o que estando en el campo de aplicación de los Reales Decretos que se citan en el artículo 1.3.6 del Real Decreto anteriormente citado, se asimilen a la categoríaI,deberán cumplir las obligaciones que establece el artículo 9 del Reglamento de equipos a presión. No estarán sujetos a las inspecciones periódicas indicadas en la reglamentación que les era de aplicación en el momento de su instalación. d) Para los equipos a presión no afectados anteriormente por el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, por el que se aprobó el vigente Reglamento de aparatos a presión o alguna de sus ITC, que por aplicación del anterior epígrafe a) se asimilen a alguna de las categorías Ia V a que se refiere el artículo 9 y anexo IIdel Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, y deban someterse a inspecciones periódicas, deberán considerar como fecha de partida para contabilizar los plazos la de entrada en vigor del presente Real Decreto. e) La instalación y puesta en servicio por el cambio de emplazamiento de los equi pos a presión del epígrafe a) que se asimilen a las categorías Ia V del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, se realizará de acuerdo con lo dispuesto en los artículos 4 y 5 del Reglamento de equipos a presión y,en su caso, la correspondiente ITC. f) La reparación de los equipos a presión del epígrafe a) que se asimilen a las catego ríasIa V a que se refieren el artículo 9 y el anexo IIdel Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, se realizará de acuerdo con lo indicado en el artículo 7 del Reglamento de equipos a presión y,en su caso, la correspondiente ITC, considerando sus condiciones originales de diseño y fabricación. g) Para modificar de forma importante un equipo a presión del epígrafe a) que se asimile a las categorías Ia V a que se refieren el artículo 9 y el anexo IIdel Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, será necesario la presentación, ante el órgano com petente de la Comunidad Autónoma, de un proyecto técnico firmado por un técnico competente y visado por el correspondiente colegio oficial, en el que se justifiquen los cálculos de resistencia mecánica y los accesorios de seguridad adoptados, junto con los correspondientes planos. Este proyecto deberá acompañarse de un
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certificado de con formidad emitido por un organismo de control autorizado. Tras la ejecución de la modificación deberá emitirse un certificado de dirección téc nica por un técnico titulado competente y visado por el correspondiente colegio oficial. En caso que la modificación no sea considerada como importante de acuerdo con los criterios del artículo 8 del Reglamento de equipos a presión o de la correspondiente ITC, se cumplirán los requisitos indicados para las reparaciones en el artículo 7 del mismo Reglamento.
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No tendrán la consideración de modificaciones las indicadas en el artículo 8.3 del Reglamento de equipos a presión. En cualquier caso, los nuevos elementos que se incorporen en el equipo a presión deberán cumplir con lo establecido en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo. h) Los aparatos a presión por aplicación de lo dispuesto en el Reglamento de apara tos a presión aprobado por Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, o en el Reglamento de recipientes a presión, aprobado por Decreto 2443 /1969, de 16 de agosto, cuenten con placas de diseño, de instalación o de timbre de acuerdo con dichas disposiciones, mantendrán dichas placas a la entrada en vigor del presente Real Decreto, debiendo co locar la placa indicada en el anexo IIdel Reglamento de equipos a presión en la primera inspección periódica que se realice. En este último caso, la primera fecha a indicar en la citada placa será la de la realización de esta inspección. i) Los usuarios de los equipos a presión del epígrafe a) deberán cumplir los requisi tos indicados en el artículo 9 del Reglamento de equipos a presión. 2. Equipos a presión que cumplen con lo establecido en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo. Estos equipos a presión deberán cumplir los requisitos del capítulo III, V y, en su caso, del capítulo IIdel Reglamento de equipos a presión. Estos equipos a presión que a la entrada en vigor de este Real Decreto hayan sido puestos en servicio se los colocará la placa de instalación e inspecciones periódicas, in dicada en el anexo IIdel Reglamento de equipos a presión, cuando realicen la correspon diente inspección periódica de nivel B o C, indicada en el anexo IIIde este Reglamento. Disposición adicional segunda. Equipos a presión usados procedentes de otro Estado miembro de la Unión Europea o asimilados. 1. Para poder utilizar los equipos a presión usados, no sujetos a lo establecido en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o a lo dispuesto en el Real Decreto 1495/1991, de 11 de octubre, por el que se dictan disposiciones de aplicación de la Directiva del Consejo de las Comunidades Europeas 87/404/CEE, sobre recipientes a presión simples, y que procedan de un Estado miembro de la Unión Europea, así como de Turquía o hayan sido fabricados legalmente en un Estado de la Asociación Europea de Libre Comercio (AELC) parte contratante del Acuerdo sobre el Espacio Económico Europeo (EEE), deberá acreditarse ante el órgano competente de la Comunidad Autónoma en que se instalen lo siguiente: Proyecto de diseño firmado por técnico titulado competente y visado por el corres pondiente colegio oficial.
Documentación de fabricación del equipo a presión, en la que se incluya el certificado de construcción, de conformidad con la reglamentación aplicable en el Estado de origen. Certificado de realización de una inspección periódica de nivel C. Certificado de conformidad de un organismo de control autorizado en el que se indi que que el equipo es seguro.
2. Los equipos a presión usados que cumplan lo establecido en el Real
Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Direc tiva del Parlamento Europeo y del Consejo, 97/23/CE, relativa a los equipos de presión o en el Real Decreto 1495/1991,de 11de octubre, por el que se dictan las disposiciones comunes de aplicación de la Directiva del Consejo de las Comunidades Europeas 87/404/ CEE, sobre recipientes a presión simples, podrán ser instalados o utilizados de acuerdo con lo establecido en el Reglamento de equipos a presión, que se aprueba por este Real Decreto, debiendo realizarse previamente una inspección de nivel C. Disposición adicional tercera. Equipos a presión usados procedentes de países no pertenecientes a la Unión Europea o asimilados. Los equipos a presión usados que procedan de países que no sean de aquellos a los que se refiere la disposición adicional segunda deberán disponer, en su caso, del marcado CE de acuerdo con lo establecido en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, y para su utilización habrán de cumplir los requisitos del Reglamento de equipos a presión. No obstante lo anterior,los equipos a presión a que se refiere el artículo 3.3 del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, deberán disponer de una declaración del importador en la que se indique el cumplimiento de lo dispuesto en el citado Real Decreto y,asimismo, que se han diseñado y fabricado de conformidad con las buenas prácticas de ingeniería de un Estado miembro de la Unión Europea (selección de materiales, procedimientos de soldadura, homologación de soldadores, etc.) a fin de garantizar la seguridad en su utilización. Disposición transitoria primera. Organismos de control autorizados con anteriori dad a la entrada en vigor de este Real Decreto. Los organismos de control autorizados de acuerdo con lo previsto en el Reglamento de Aparatos a Presión, aprobado por Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, podrán continuar desarrollando las actividades para las que están autorizados durante el plazo de dieciocho meses, a contar desde la fecha de entrada en vigor de este Real Decreto. Transcurrido dicho plazo, dichos organismos deberán estar acreditados y autoriza dos con arreglo a la nueva normativa que se aprueba por este Real Decreto y,en su caso, a sus normas de desarrollo. Disposición transitoria segunda. nstalaciones en fase de tramitación. Las instalaciones en fase de tramitación, siempre que el correspondiente proyecto de instalación haya sido visado antes de la entrada en vigor de este Real Decreto, podrán ponerse en servicio de acuerdo con lo establecido en el
Reglamento de aparatos a pre sión, aprobado por Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril y susInstrucciones técnicas complementarias (ITC) de desarrollo. Disposición transitoria cuarta. Carnés de operador industrial de calderas. Los carnés de operador industrial de calderas que cumplan con las condiciones que establecía el anterior Reglamento de aparatos a presión, aprobado por Real Decreto
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1244/1979, de 4 de abril, y expedidos con anterioridad a la entrada en vigor del Regla mento que se aprueba por el presente Real Decreto, seguirán teniendo validez. Los establecimientos con instalaciones de calderas que por la anterior ITC MIE AP-1 no requerían de carné de operador industrial de calderas y para las que se requiere por la presente ITC EPl del Reglamento de equipos a presión, dispondrán de un plazo de tres años para acreditar la capacitación del personal de operación de la instalación. A estos efectos, los operadores con experiencia demostrada en el manejo de calderas en los dos años anteriores a la entrada en vigor del presente Real Decreto podrán obtener el carné, previa superación de un curso de capacitación, impartido por entidades autoriza das por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, de una duración mínima de 20 horas. Además habrán de cumplir las condiciones exigidas en el artículo 13.3 de la ITC EPL Disposición transitoria quinta. Modificación de instalaciones de calderas existentes. 1. Las instalaciones existentes con calderas sin marcado CE que dispongan de expe diente de control de calidad podrán adaptarse a los preceptos de la ITC EP-1, mediante la presentación del correspondiente proyecto técnico ante el órgano competente de la comunidad autónoma. En caso de que deban realizarse adaptaciones que afecten a la seguridad de la calde ra, deberá acompañarse de un informe favorable de un organismo de control autorizado. 2. Las calderas existentes podrán adaptar sus sistemas de vigilancia a los indicados en el artículo 7 de la ITC EP-1, para lo cual deberá presentarse un proyecto técnico de adecuación, que deberá incluir,además de la descripción y características de las adapta ciones necesarias, las nuevas instrucciones de funcionamiento. En caso de que el fabri cante tenga previstos dispositivos para un tipo de vigilancia diferente, no será necesario presentar proyecto de adecuación. Disposición derogatoria única. Derogación de normativa. Quedan derogadas cuantas disposiciones de igual o inferior rango se opongan a lo establecido en este Real Decreto y, en particular, el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, por el que se aprueba el Reglamento de aparatos a presión, así como sus nstruc ciones técnicas complementarias (ITC) de desarrollo, excepto la instrucción técnica com plementaria MIE-AP3, referente a generadores de aerosoles, aprobada por Real Decreto 2549/1994, de 29 de diciembre. Disposición final primera. Título competencia!. Este Real Decreto se dicta al amparo de lo dispuesto en el artículo 149.1.13.ª de la Constitución Española que atribuye al Estado las competencias exclusivas sobre bases y coordinación de la planificación general de la actividad económica. Disposición final segunda. Habilitaciones normativas. Se autoriza al Ministro deIndustria, Turismo y Comercio para dictar,en el ámbito de sus competencias, las disposiciones necesarias para asegurar la adecuada aplicación y desarrollo de este Real Decreto.
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Reglamento de equipos a presión
Se faculta al Ministro deIndustria, Turismo y Comercio para modificar y actualizar el presente Reglamento y sus nstrucciones técnicas complementarias (ITC), a fin de man tenerlos permanentemente adaptados al progreso de la técnica y a las disposiciones de derecho internacional o comunitario europeo en la materia. Asimismo, se faculta al Ministro deIndustria, Turismo y Comercio para que, por ra zones de seguridad, teniendo en cuenta el desarrollo tecnológico, pueda aprobar, con carácter general y provisional y mediante orden, prescripciones técnicas relativas a la instalación, inspecciones periódicas, reparaciones o modificaciones de los equipos a pre sión no incluidos o excluidos del ámbito de aplicación del Reglamento de equipos a pre sión y sus nstrucciones técnicas complementarias (ITC). Tales prescripciones deberán ir dirigidas a posibilitar un nivel de seguridad al menos equivalente al establecido para los equipos incluidos en dicho ámbito de aplicación. Igualmente, se habilita al Ministro deIndustria, Turismo y Comercio para que me diante orden pueda declarar de obligado cumplimiento normas emitidas por organismos de normalización europeos o internacionales siempre que correspondan al ámbito de aplicación del Reglamento de equipos a presión y susInstrucciones técnicas comple mentarias (ITC). Disposición final tercera. Medidas de aplicación. El órgano directivo del Ministerio deIndustria, Turismo y Comercio competente en materia de seguridad industrial elaborará y mantendrá actualizada una guía técnica para la aplicación práctica de los requisitos del Reglamento de equipos a presión y sus Instrucciones técnicas complementarias (ITC), la cual podrá establecer aclaraciones de carácter general. El mismo órgano directivo del Ministerio deIndustria, Turismo y Comercio podrá mo dificar,mediante resolución, las referencias a normas que se contienen en las ITC que se aprueban por este Real Decreto. Disposición final cuarta. Entrada en vigor. El presente Real Decreto entrará en vigor a los seis meses de su publicación en el Boletín Oficial del Estado. Dado en Madrid, el 12 de diciembre de 2008.
9.3.2. Instrucción técnica complementaria ITC EP-1 - Calderas Artículo 1. Ámbito de aplicación 1. La presenteInstrucción Técnica Complementaria (ITC) se aplica a la instalación, reparación e inspecciones periódicas de calderas y sus elementos asociados (economi zadores, sobrecalentadores, etc.), contemplados en el Reglamento de equipos a presión. Nota: Recordar que se trata de los equipos a presión sometidos a una presión máxi ma admisible PS > 0,5 bar.
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manual práctico del operador de calderas 2. industriales Se exceptúan de la aplicación de los preceptos de la presente ITC las siguientes calderas y sus elementos asociados:
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a) Las integradas en centrales generadoras de energía eléctrica incluidas en la ITC EP-2. b) Las integradas en refinerías y plantas petroquímicas incluidas en la ITC EP-3. c) Las de vapor y agua sobrecalentada clasificadas en el artículo 3.3 y en la categoría Ide las previstas en el artículo 9 y anexo IIdel Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, sobre equipos a presión. Nota: Quedan por tanto también exceptuadas: • Las tuberías de conducción de cualquier fluido desde el último dispositivo de ais lamiento. • Las redes destinadas al suministro, la distribución y la evacuación de agua, • Los recipientes a presión simples, con presión interna superior a 0,5 bar para contener aire o nitrógeno, y que no esté destinado a estar sometido a llama. d) Las de agua caliente de uso industrial con PS < 10 bar,Pms x VT < 10.000 y las incluidas en el Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el Regla mento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE). Donde: Pms: presión máxima de servicio en la instalación expresada en bar. VT: volumen total en litros de la caldera. e) Las de fluido térmico con Pms x Vi < 200 si Tms > 120 ºC o con Pms x Vi < 2.000 si Tms 120 ºC. Donde: Pms: presión máxima de servicio en la instalación expresada en bar. Vi: volumen total en litros de la instalación. Tms: temperatura máxima de servicio. Artículo 2. Definiciones Sin perjuicio de la terminología que figura en el artículo 2 del Reglamento de equipos a presión y en la norma UNE 9-001,a los efectos de esta ITC se estará a las siguientes definiciones: Caldera, todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. Caldera de vapor, la que utiliza como fluido caloportante o medio de transporte el vapor de agua. Caldera de agua sobrecalentada, toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110 ºC. Caldera de agua caliente, toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura igual o inferior a 110 ºC. Caldera de fluido térmico, toda caldera en la que el medio de transporte de calor es un líquido distinto del agua.
Caldera automática, caldera que realiza su ciclo normal de funcionamiento sin pre cisar de acción manual alguna, salvo para su puesta inicial en funcionamiento o en el caso de haber actuado alguno de los dispositivos de seguridad que hayan bloqueado la aportación calorífica. Caldera manual, la que precisa de una acción manual para realizar algunas de las funciones de su ciclo normal de funcionamiento. Caldera móvil, la que está en servicio mientras se desplaza. Se adoptarán además las definiciones siguientes: Caldera con emplazamiento variable, aquella que se monta sobre un bastidor para facilitar su cambio de ubicación. Riesgo ajeno, el que afecta a viviendas, locales de pública concurrencia, calles, plazas y demás vías públicas y talleres o salas de trabajo ajenas al usuario. Sala de calderas, local cerrado de uso exclusivo e independiente de otros servicios, en el que se encuentra instalada la caldera. Recinto de calderas, espacio protegido por cercado, que podrá ser interior a un local o abierto al exterior. Caldera de recuperación de lejías negras, caldera de vapor que utiliza como combustible las lejías negras concentradas que se generan en el proceso de fabricación de pasta de papel al sulfato. Artículo 3. Clasificación de las calderas A efectos de las condiciones exigibles, las instalaciones se clasificarán en función del tipo de caldera en: 1. Clase primera: Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT < 15.000. Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT < 50.000. En caso de calderas de fluido térmico, las que tengan un producto Pms x Vi < 15.000. Siendo: Pms: presión máxima de servicio en la instalación expresada en bar. Vi: volumen total en litros de la instalación completa. VT: volumen total en litros de la caldera, más el volumen del sobrecalentador si lo tuviere. Para calderas de agua caliente, agua sobrecalentada y de fluido térmico, la presión máxima de servicio se compone de: • La presión debida a la altura geométrica del líquido. • La tensión de vapor del portador térmico a la temperatura máxima de servicio. • La presión dinámica producida por la bomba de circulación. 2. Clase segunda: Calderas que igualen o superen los valores indicados en el apartado anterior,es decir: Calderas pirotubulares cuyo Pms x VT 15.000.
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Calderas acuotubulares cuyo Pms x VT 50.000. En caso de calderas de fluido tér- mico, las que tengan un producto Pms x Vi 15.000. Siendo: Pms: presión máxima de servicio en la instalación expresada en bar. Vi: volumen total en litros de la instalación completa. VT: volumen total en litros de la caldera, más el volumen del sobrecalentador si lo tuviere. Artículo 4. Instalación La instalación debe hacerse en función de si la caldera es de primera o segunda clase y de otros requisitos. 1. Calderas de clase primera Las instalaciones deberán ser realizadas por empresas instaladoras de la categoría EIP-2. La instalación se considera de menor riesgo, por lo que no requerirá la presentación de proyecto de instalación, debiendo presentarse además de lo indicado en el apartado 4 del anexo IIdel REP una memoria técnica de la empresa instaladora (ver lo que incluye en pág. 12323 del BOE). 2. Calderas de clase segunda Las instalaciones deberán realizarse por empresas instaladoras de la categoría EIP2. La instalación requerirá la presentación de un proyecto, que incluya, como mínimo, lo indicado en el apartado 2 del anexo IIdel REP y además (ver lo que incluye en pág. 12323 del BOE). 3. Otros requisitos En las calderas de vapor,si la presión máxima de servicio (Pms) es inferior en más de un 10 % de la presión máxima admisible ( PS), será necesario la presentación de un cer tificado extendido por el fabricante o por un organismo de control autorizado, en el que conste la adecuación del equipo a la presión, especialmente en lo que concierne a las ve locidades de salida del vapor y a la capacidad de descarga de las válvulas de seguridad. Artículo 5. Puesta en servicio La puesta en servicio requerirá la presentación de la documentación que para cada caso se determina en el artículo 5 del Reglamento de equipos a presión. Nota: En resumen, dicha documentación consta de: • Certificado de dirección técnica emitido por técnico titulado competente y visado por el correspondiente colegio oficial, en caso de instalaciones que requieran pro yecto de instalación. • Certificado de instalación suscrito tanto por empresa instaladora de equipos a presión inscrita como por su responsable técnico, en el que se haga
constar que los equipos cumplen el presente reglamento, que disponen de las instrucciones de todos los equipos en los que se han realizado las pruebas requeridas, incluyendo,
en su caso, la correspondiente prueba hidrostática de resistencia de los elemen tos no probados y que el funcionamiento es correcto. • Declaraciones de conformidad de los equipos a presión y,en su caso, de los acce sorios de seguridad o presión. • En caso de que no se requiera proyecto de instalación, esquema de principio de la instalación, firmado por la empresa instaladora de equipos a presión, en el que se indiquen los parámetros principales de funcionamiento (presión, temperatura, ...) y un plano o croquis de la instalación. Artículo 6. Prescripciones de seguridad de la instalación Existe una serie general de requerimientos, condiciones de emplazamiento, tanto generales como particulares (para calderas de clase primera y de clase segunda) y con diciones específicas para las calderas de fluido térmico. 1. Prescripciones generales Deberán adoptarse las medidas de seguridad, de rendimiento o medioambientales indicadas en las correspondientes disposiciones específicas. La chimenea de evacuación de los productos de combustión deberá diseñarse según los criterios indicados en la norma UNE 123.001 o en otra norma de reconocido prestigio. El aislamiento de la chimenea solamente será obligatorio para las partes accesibles. Para la ubicación de las calderas, se tendrá en cuenta la clasificación de acuerdo con el artículo 3, considerando la clase de la mayor caldera en ella instalada y con indepen dencia de su número. 2. Condiciones de emplazamiento de las calderas Las calderas deberán situarse en una sala o recinto, que cumpla los siguientes re quisitos: a)Ser de dimensiones suficientes para que todas las operaciones de mantenimiento, inspección y control puedan efectuarse en condiciones seguras, debiendo disponerse de al menos 1m de distancia a las paredes o cercado. En las zonas donde no existan elementos de seguridad ni se impida el manejo o el mantenimiento, esta distancia podrá reducirse a 0,2 m. b)Deberán estar permanentemente ventiladas, con llegada continua de aire tanto para su renovación como para la combustión y cumplir con los requisitos específicos en relación con el combustible empleado. Si la sala o recinto de calderas linda con el exterior (patios, solares, etc.), deberá disponer de unas aberturas en su parte inferior para entrada de aire, distantes como máximo a 20 cm del suelo, y en la parte superior, en posición opuesta a las anteriores, unas aberturas para salida de aire. La sección mínima total de las aberturas, en ambos casos, vendrá dada por la siguiente expresión: Qt
5=-
203
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Siendo: 5: sección neta de ventilación requerida, expresada en cm2 • Q1: potencia calorífica total instalada de los equipos de combustión o de la fuente de calor,expresada en kW. No se admitirán valores de S menores de 0,5 m2 para las salas con calderas de clase segunda, ni menores de 0,1m2 para las salas con calderas de clase primera. En el caso de locales aislados, sin posibilidad de llegada de aire por circulación natu ral, se dispondrán llegadas de aire canalizadas, con un caudal mínimo de 2,5 Nm3/hora por kW de potencia total calorífica instalada de los equipos de combustión. Las calderas que como fuente de energía no utilicen la combustión podrán reducir la ventilación de la sala a la mitad. c) Toda sala o recinto de calderas deberá estar totalmente limpia y libre de polvo, gases o vapores inflamables. d)En la sala o recinto de calderas se prohíbe todo trabajo no relacionado con los apa ratos contenidos en la misma, y en todos los accesos existirá un cartel con la prohibición expresa de entrada de personal ajeno al servicio de las calderas. Solo podrán instalarse los elementos correspondientes a sus servicios, no permitién dose el almacenamiento de productos, con la excepción del depósito nodriza del combus tible y los necesarios para el servicio de la caldera. e)Deberá disponerse del manual de funcionamiento de las calderas allí instaladas y de los procedimientos de actuación en caso de activación de las seguridades. En lugar fácilmente visible de la sala o recinto de calderas, se colocará un cuadro con las instruc ciones para casos de emergencia. 3. Condiciones de emplazamiento de las calderas de clase primera Las calderas de clase primera podrán estar situadas en un recinto, pero el espacio necesario para los servicios de mantenimiento e inspección se encontrará debidamente delimitado por cerca metálica de 1,20 m de altura, con el fin de impedir el acceso de personal ajeno al servicio de las mismas. Para las calderas de vapor o de agua sobrecalentada cuyo Pms x VT > 10.000, la distancia mínima que deberá existir entre la caldera y el riesgo ajeno será de 5 m. Alter nativamente, podrá disponerse de un muro de protección con la resistencia indicada en el apartado 4.b.2 del presente artículo. La distancia mínima señalada se entiende desde la su perficie exterior de las partes a presión de la caldera más cercana al riesgo y dicho riesgo. 4. Condiciones de emplazamiento para calderas de clase segunda a) Estas calderas deben estar situadas dentro de una sala con dos salidas de fácil acceso situadas, cada una de ellas, en muros diferentes. En caso de que las distancias a los riesgos propios y ajenos sean mayores de 10 y 14 m, respectivamente, no será nece sario disponer de muro de protección. b) Los muros de protección de la sala deberán cumplir las siguientes condiciones:
b.l. La altura alcanzará, como mínimo, un metro por encima de la parte más alta sometida a presión de la caldera.
Reglamento de equipos a presión
b.2. Se realizarán de hormigón armado con un espesor mínimo de 20 cm y con al menos 60 kg de acero y 300 kg de cemento por metro cúbico. En cualquier caso, podrán utilizarse muros con un momento flector equivalente. c) Las aberturas en los muros de protección deberán cumplir las siguientes condi ciones: c.l.Las puertas serán metálicas, con unas dimensiones máximas de 1,60 m de ancho por 2,50 m de alto. Pueden incorporar rejillas en celosía para ventilación. c.2.Las dimensiones mínimas de al menos uno de los accesos deberán ser tales que permitan el paso de los equipos y elementos accesorios a la caldera (tales como quema dores, bombas, etc.), debiéndose respetar un mínimo de 0,80 m de ancho por 2 m de alto. c.3.Las puertas de las salas de calderas deberán abrirse en el sentido de la salida de la sala y estarán provistas de dispositivo de fácil apertura desde el interior. c.4.Toda abertura de medidas superiores a 1,60 m de ancho y 2,50 m de alto estará cerrada mediante paneles, desmontables o no, uno de los cuales podrá estar provisto de una puertecilla libre, hábil para el servicio. Los paneles ofrecerán una resistencia igual a la del muro en que estén instalados, resistencia que será debidamente justificada. c.5.Las aberturas de los muros de protección destinadas a ventanas estarán situadas a un metro, como mínimo, sobre el punto más alto sometido a la presión de la caldera. c.6.Toda puerta o abertura de ventilación situada frente a un quemador,conteniendo el eje del mismo, dispondrá de una protección eficaz con un punto resistente de 250 cm3, con el fin de poder resistir el posible impacto de aquel en caso de accidente. d) El techo de la sala deberá cumplir las siguientes condiciones: d.l. La altura de los techos no será nunca inferior a los 3 m sobre el nivel del suelo y deberá rebasar en un metro, como mínimo, la cota del punto más alto entre los some tidos a presión de la caldera y, al menos, a 1,80 m sobre las plataformas de la caldera, si existen. d.2. El techo del recinto será de construcción ligera (fibrocemento, plástico, etc.), con una superficie mínima del 25 % del total de la sala y no tendrá encima pisos habitables o locales de pública concurrencia; solamente podrán autorizarse las superestructuras que soporten aparatos ajenos a las calderas, que se consideren formando parte de la instala ción, tales como depuradoras de agua de alimentación, desgasificadores, etc.,entendien do que dichos aparatos no podrán instalarse sobre la superficie ocupada por la caldera. 5. Condiciones específicas para las calderas de fluido térmico Las calderas de fluido térmico deberán cumplir los requisitos de instalación de la norma UNE 9-310 o cualquier otra norma equivalente. Así mismo, podrá utilizarse cual quier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndose en este caso acompa ñarse un informe favorable de un organismo de control autorizado. Las calderas de fluido térmico de la clase segunda podrán instalarse en un local in dependiente o al aire libre, no siendo necesario cumplir los requisitos del anterior apar tado 4.
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Reglamento de equipos a presión Artículo 7. Sistemas de vigilancia de las calderas Las calderas incluidas en el ámbito de aplicación de la presente ITC dispondrán del sistema de vigilancia indicado por el fabricante en las instrucciones de funcionamiento. El operador de la caldera deberá realizar las comprobaciones adecuadas de los con troles, elementos de seguridad y de la calidad del agua de alimentación para asegurarse del buen estado de la caldera. El sistema de vigilancia cumplirá los siguientes requisitos: 1. Vigilancia directa El operador de la caldera debe asegurar su presencia en la sala de calderas o en la sala con repetición de las señales de seguridades, para poder actuar de forma inmediata en caso de anomalía. En dicho local, debe existir un pulsador de emergencia que pare in mediatamente el sistema de aporte calorífico de forma segura y que active los sistemas de disipación de energía que hayan sido diseñados. Si el fabricante no ha indicado instrucciones para la vigilancia de la caldera, se con siderará como de vigilancia directa. 2. Vigilancia indirecta Los intervalos de comprobación de los sistemas de control y seguridad para que el funcionamiento de la instalación sea seguro serán indicados por el fabricante de la caldera. El sistema de vigilancia de la caldera estará relacionado con los dispositivos de control de los que disponga. En las calderas que, de acuerdo con las instrucciones de funcionamiento del fabri cante, puedan funcionar de forma automática, sin presencia del personal de conducción en la sala de calderas, el operador deberá realizar comprobaciones funcionales para asegurar la operatividad de sus sistemas de control y seguridad. Se consideran adecuados los sistemas de control y seguridad indicados en las nor mas UNE-EN 12953 y 12952 o cualquier otra norma equivalente que pueda utilizar el fabricante. En caso de fallo de controles o seguridades requerirá la utilización de las instruc ciones de emergencia, debiéndose pasar a vigilancia directa hasta la subsanación de la anomalía.
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Artículo 8. Agua de alimentación y agua de la caldera Para todas las calderas de vapor y de agua sobrecalentada deberá existir un trata miento de agua eficiente que asegure la calidad de la misma, así como de un régimen adecuado de controles, purgas y extracciones. Se considera adecuado el indicado en las normas UNE-EN 12953-10 y 12952-12. Asi mismo, podrá utilizarse cualquier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndo se en este caso acompañarse un informe favorable de un organismo de control autorizado. Será obligación del usuario mantener el agua de las calderas, como mínimo, dentro de las especificaciones de las normas citadas en el párrafo anterior.
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Reglamento de equipos a presión
A estos efectos, el usuario realizará o hará realizar los análisis pertinentes y, si es necesario, instalará el sistema de depuración que le indique el fabricante, una empresa especializada en tratamiento de agua, o el diseñador de la instalación. Artículo 9. Inspecciones periódicas
Todas las calderas incluidas en la presente ITC deberán ser inspeccionadas periódi camente según lo indicado en su anexo Ide la presente ITC, teniendo en cuenta que las inspecciones de nivel A y B podrán ser realizadas por el fabricante, si acredita disponer de los medios técnicos y humanos que se determinan en el anexo Idel Reglamento para las empresas instaladoras de la categoría EIP-2. En el anexo 1.1,se indica el alcance y las condiciones de las inspecciones. Además de las inspecciones periódicas, el usuario deberá tener en cuenta las infor maciones e instrucciones facilitadas por el fabricante del equipo o conjunto, y realizar los controles que se indiquen por el mismo. Nota 1: Los principales aspectos del Anexo Ide esta ITC son inspecciones y pruebas periódicas de calderas. 1. Inspecciones y pruebas periódicas
Deberán tenerse en cuenta las condiciones indicadas en la norma UNE 9-103. En la Tabla 2 del Anexo IIIdel REP se indica la periodicidad. Tabla 2 del Anexo 111del REP Nivel de inspección
Agente y periodicidad Categorías 1, 11, 111 y IV
Nivel A
Empresa instaladora o fabricante l año
Nivel B
OCA 3 años
Nivel e
OCA 6 años
Nota: Quedan excluidas las ollas a presión.
1.1. Nivel A (Inspección en servicio)
La periodicidad de estas inspecciones será anual. Se realizará una inspección de la caldera de acuerdo con lo indicado en el apartado 2.1del anexo IIIdel Reglamento de equipos a presión. La inspección incluirá además las siguientes comprobaciones: a) Existencia y actualización de la documentación correspondiente al mantenimiento y operación de la caldera, así como de la calidad del agua en las calderas de vapor y agua sobrecalentada.
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b) Limpieza e inspección visual del circuito de humos y de las partes sometidas a presión. Para realizar estas operaciones, deberá estar la caldera parada y ser accesibles las partes sometidas a presión, no siendo necesario retirar el calorifugado. c) Funcionamiento de los elementos de operación y de las seguridades de la caldera, provocando su intervención. d) Mantenimiento de las condiciones de emplazamiento de la caldera y de las instruc- ciones de seguridad (incluida la protección contra incendios). e) Estanquidad del circuito de gases. f) nspección visual de las tuberías y equipos que utilizan el fluido de la caldera. De las actuaciones realizadas se dejará constancia escrita. 1.2. Nivel B (Inspección fuera de servicio) La periodicidad de estas inspecciones será cada tres años. Además de lo indicado para la inspección de nivel A, se realizará una inspección completa de la documentación y del estado de la caldera (de acuerdo con los apartados 4 y 6 de la norma UNE 9-103). La inspección incluirá las siguientes comprobaciones: a)Comprobación de la documentación de la caldera y de la placa de instalación e ins pecciones periódicas (certificado de instalación, proyecto, declaración de conformidad o certificado de fabricación, instrucciones de funcionamiento, marcas de la caldera, etc.). b)nspección de los elementos de la caldera: •Inspección visual previa y posterior a la limpieza. • Ensayos suplementarios. • Deformaciones. • Cordones de soldadura. • Medición de espesores. • Accesorios y válvulas de seguridad. • Manómetros y termómetros. • Hogar y conductos de humos. • Obra refractaria. • Circuito eléctrico. • Virotillos y tirantes (en calderas pirotubulares). • Cartelas de refuerzo (en calderas pirotubulares). • Tubos, placas tubulares y colectores (en calderas pirotubulares). • Cajas de humos (en calderas pirotubulares). • Estructura y fijaciones de tubos a tambores y colectores (en calderas acuotubulares). • Economizadores, sobrecalentadores y recalentadores (en calderas acuotubulares). • Haces tubulares o serpentines (en calderas acuotubulares). c) Ensayo de funcionamiento: • Regulación y precinto de las válvulas de seguridad o de alivio. • Comprobación de los automatismos de regulación. • Automatismos de seguridad.
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Reglamento de equipos a presión
1.3. Nivel C (Inspección fuera de servicio con prueba de presión) La periodicidad de estas inspecciones será de seis años. Además de lo indicado para la inspección de nivel B, se realizará, para las calderas existentes, la prueba hidrostática de acuerdo con el apartado 5 de la norma UNE 9-103. En las calderas con marcado CE la presión de prueba será la que figura en el punto 2.3del anexo IIIdel Reglamento de equipos a presión, es decir, igual a la de la primera prueba o cualquier otra prueba sustitutiva expresamente autorizada. La inspección incluirá las siguientes comprobaciones: a)Comprobación de la documentación. b)nspección de los elementos de la caldera. En las calderas pirotubulares se efectuarán los siguientes ensayos no destructivos por medio de líquidos penetrantes o partículas magnéticas de: • El 100 % de la soldadura unión del hogar con la placa posterior o con la placa tubular de la cámara del hogar. • El 100 % de las soldaduras del tubo hogar. • El 50 % de la unión de la placa posterior con los tubos del primer paso, si el com bustible es gaseoso y el 10 % para el resto de los combustibles. • El 100 % de la unión de los virotillos a la cámara del hogar y a la placa tubular posterior,cuando el combustible sea gaseoso y el 50 % en el resto de los combus tibles. En las calderas acuotubulares, excepto las de fluido térmico: • El 100 % de las soldaduras de unión de los haces tubulares a colectores, recalen- tadores o sobrecalentadores. c) Prueba hidrostática. d)Ensayo de funcionamiento. Nota 2: Está directamente relacionado con lo anterior,lo que se indica en el apartado 5 del Anexo IIdel REP. 5. Placa de instalación e inspecciones periódicas Todas las calderas deben tener una placa de instalación con su identificación y espa cios para ir poniendo las fechas de las sucesivas revisiones. 5.1. Todos los equipos a presión de las instalaciones que estén sujetos a inspec ciones periódicas deberán disponer de una placa realizada con materiales duraderos, en la que se indique el número de identificación otorgado por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, la presión máxima de servicio de la instalación, la presión de prueba del equipo o conjunto, su categoría y grupo, así como las fechas de realización de las inspecciones, el nivel de inspección realizado y el sello de la entidad responsable de la inspección. Las placas serán legibles e irán colocadas en un lugar visible del equipo o conjunto. Las placas serán facilitadas por el órgano competente de la comunidad
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manual práctico del operador de calderas industriales autónoma, tras la presentación de la correspondiente documentación de la
instalación o del equipo
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que se indica en los apartados anteriores. Cuando los equipos dispongan de placa, si se produce un cambio de emplazamiento a otra Comunidad Autónoma, esta decidirá si la mantiene o le otorga una nueva. 5.2. Para los equipos a presión de las categorías Ia V a que se refieren el artículo 9 y el anexo IIdel Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o asimilados según lo indicado en el artículo 3.2, que se instalen de forma permanente se utilizará uno de los siguientes modelos de placa, como muestra la Figura 9.3. 0
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Figura 9.3. Modelos de placa de instalación e inspecciones periódicas.
Artículo 1O. Reparaciones Las reparaciones de las partes sometidas a presión de los equipos o conjuntos com prendidos en la presente ITC deberán realizarse por empresas reparadoras debidamen te autorizadas (e inscritas en el registro del órgano competente de la Comunidad Autóno ma con lo que podrá desarrollar su actividad en todo el ámbito estatal), según el artículo 7 del Reglamento de equipos a presión. No se considerarán como reparaciones de la caldera las siguientes: • Sustitución de hasta un 15 % del haz tubular en calderas pirotubulares (incluidos tubos soldados y mandrinados), que no supongan más de 5 tubos.
• Sustitución de las tubuladuras de la caldera, siempre que se mantengan las condicio nes originales de diseño y que no haya sufrido originalmente un tratamiento térmico. Por otra parte, tal como indica el artículo 7 del REP: • Tampoco tendrán la consideración de reparaciones la sustitución de juntas ni el cambio de accesorios por otros de iguales o superiores características o función. • Tras la reparación, el equipo a presión se someterá a inspección por un OCA que emitirá el correspondiente certificado. • Antes de su puesta en servicio, el equipo reparado deberá superar una inspección periódica de nivel C. • La empresa reparadora debe emitir el correspondiente certificado de reparación.
Artículo 1 1. Modificaciones 1. Las modificaciones deberán atenerse a lo indicado en el artículo 8 del Reglamento de Equipos a Presión. • Las modificaciones de un equipo a presión se realizarán teniendo en cuenta los requisitos indicados para las reparaciones. • Las modificaciones deberán certificarse por la empresa reparadora de equipos a presión mediante la emisión del correspondiente certificado de modificación. • Se considerarán modificaciones importantes de un equipo a presión las que alteren las prestaciones originales (aumentando los valores de PS, TS o V o utilizando un fluido de mayor riesgo de acuerdo con lo establecido en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo), la función o el tipo original. Requerirán de un nuevo procedimiento de evaluación de la conformidad, de acuerdo con lo previsto en el citado Real De creto, como si se tratase de un aparato nuevo. 2. Para el cambio de combustible se deberá atender a la reglamentación específica en relación con el nuevo combustible. En cualquier caso, en las transformaciones por cambio de combustible se deberá presen tar un proyecto de un técnico titulado, visado por el correspondiente colegio oficial y el co rrespondiente certificado de modificación, en donde se justifique la idoneidad del nuevo que mador, de la cámara de combustión y que en la placa tubular de los tubos del primer paso de gases en las calderas pirotubulares, o en la pantalla trasera del hogar en las acuotubulares, no se sobrepase la temperatura límite del material permitida por el código de diseño. Asimis mo, en las calderas pirotubulares, se adecuará el método de unión de tubo a placa tubular, según se indique en el código de diseño para las nuevas condiciones de funcionamiento. Deberá tenerse en cuenta que no podrá superarse la potencia calorífica ni cualquier otra de las características de diseño. Antes de su puesta en servicio, se realizará una inspección de nivel C. No obstante lo anterior, no será necesario el proyecto, si en la documentación origi nal del fabricante del equipo se acredita que la caldera es apta para el nuevo combusti ble. En este caso se realizará una inspección de nivel B. 3. La modificación del sistema de vigilancia o de los sistemas de control y seguri dad deberá ser considerada como modificación importante si se incorporan sistemas no previstos por el fabricante, requiriendo una nueva evaluación de la conformidad por un organismo notificado. Artículo 12. Obligaciones de los usuarios Además de las obligaciones indicadas en el artículo 9 del Reglamento de equipos a presión (véase nota al final), en las instalaciones incluidas en la presente ITC, deberán cumplirse las siguientes:
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1. Operación de la caldera. El usuario deberá designar a una persona capacitada para realizar la operación de la caldera, mientras esté en funcionamiento, cumpliéndose en todo momento lo indicado en el artículo 13 sobre operadores de calderas.
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2. Mantenimiento de la caldera. El usuario deberá realizar un mantenimiento ade cuado de todos los sistemas de la instalación, prestando una dedicación especial a los órganos ! imitadores o reguladores para que mantengan su fiabilidad, procediendo a la comprobación de su funcionamiento durante las verificaciones. De igual forma, prestará una atención especial con respecto a las obligaciones indicadas en el artículo 8 de esta ITC sobre el tratamiento del agua de alimentación. 3. Vigilancia de la caldera. En caso de que se produzca un fallo de alguno de los elementos de control o seguridad, deberá adecuarse el sistema de vigilancia de la calde ra, pasando a vigilancia directa, en tanto no se restablezcan las condiciones iniciales y se compruebe el correcto funcionamiento de los elementos averiados. 4. Documentación. Deberá disponerse de la siguiente documentación: a) Libro de la instalación El operador de la caldera deberá tener a su disposición un libro en el que se indiquen las características de la instalación y las actuaciones, controles o inspecciones realizadas. El libro podrá sustituirse por los correspondientes registros que incluyan una infor mación equivalente. En el anexo IIIde esta ITC, se indica la información mínima que debe incluirse en el libro o registro correspondiente. En el libro o registro se anotarán las operaciones efectuadas para el control de las seguridades. De igual forma, deberán anotarse las comprobaciones del control del agua de ali mentación, los posibles fallos de funcionamiento, las inspecciones o controles realizados, así como las reparaciones o modificaciones que puedan realizarse. Nota: Anexo IIIde la ITC EP-1. El libro de la instalación o el registro equivalente deberá incluir al menos la siguiente información: • Características de las calderas: -Identificación (fabricante, tipo o modelo, número de fabricación, año,...). - Datos técnicos (límites admisibles de funcionamiento de las calderas, datos del combustible y del equipo de combustión, etc.). • Características de la instalación: - Descripción de la instalación. -Identificación de los elementos de la instalación (suministro de combustible, sistema de tratamiento de agua, evacuación de los productos de combustión, tuberías, etc.). -Identificación de los equipos consumidores (fabricante, tipo o modelo, número de fabricación, año,...). - Límites admisibles de funcionamiento de la instalación. - Características del emplazamiento de las calderas (sala o recinto, etc.). - Datos del instalador. • Elementos de seguridad de la instalación:
-Identificación de todos los elementos de seguridad.
• Documentación de la instalación: - Descripción de la documentación disponible y su localización. • Obligaciones del titular y del operador de la caldera: - Texto del artículo 9 del Reglamento de equipos a presión. - Texto del artículo 12 de la ITC EP-1. • Comprobaciones de funcionamiento y de seguridad: - Comprobaciones diarias. - Comprobaciones semanales. - Comprobaciones mensuales. - Otras comprobaciones. •Inspecciones: - Nivel A: fechas y responsable. - Nivel B: fechas y responsable. - Nivel C: fechas y responsable. • Reparaciones o modificaciones: -Identificación y alcance de las reparaciones de la caldera y la instalación. -Identificación y alcance de las modificaciones de la caldera y la instalación. b) Documentación de la instalación El operador de la caldera dispondrá al menos de la siguiente documentación: • Manual de instrucciones de la caldera. • Manual de instrucciones del equipo de combustión. • Manual de instrucciones del tratamiento de agua. • Relación de elementos y dispositivos de operación o seguridad. • Manual de seguridad del operador,redactado por el propio usuario, que contendrá al menos: - Normativa de seguridad del personal de operación. -Instrucciones de seguridad para situaciones de emergencia. -Instrucciones de seguridad para situaciones de fallo de elementos de control o seguridad. Modificación del sistema de vigilancia de la caldera. -Instrucciones en caso de accidente. -Instrucciones en los períodos de inspecciones, mantenimiento y reparación. Equipo de seguridad requerido. - Prendas de seguridad personal. -Instrucciones para personal ajeno a la propia caldera. -Instrucciones de primeros auxilios. - Sistema de revisiones del Manual de seguridad. • Datos obtenidos en el protocolo de puesta en marcha. • Prescripciones de los niveles de emisiones a la atmósfera. • Dirección del servicio técnico para la asistencia de la caldera y quemador. • Dirección del servicio contra incendios más próximo.
Nota: El artículo 9 del REP especifica las siguientes obligaciones de los usuarios: 1 .ª Conocer y aplicar las disposiciones e instrucciones del fabricante en lo referente a la utilización, medidas de seguridad y mantenimiento. 2.ª No poner en servicio la instalación o impedir el funcionamiento de los equipos a presión si no se cumplen los requisitos del presente reglamento. 3.ª Disponer de al menos la siguiente documentación de los equipos a presión mien tras estén instalados: declaración de conformidad, en su caso, instrucciones del fabri cante, y si procede, certificado de la instalación, junto con otra documentación acre ditativa (en su caso, proyecto de la instalación, acta de la última inspección periódica, certificaciones de reparaciones o modificaciones de los equipos, así como cualquier otra documentación requerida por la correspondienteInstrucción técnica complementaria (ITC) de este reglamento). Esta documentación estará a disposición del órgano competente de la Comunidad Autónoma y de las empresas que efectúen las operaciones de mantenimiento, reparación e inspecciones periódicas. 4.ª Utilizar los equipos a presión dentro de los límites de funcionamiento previstos por el fabricante y retirarlos del servicio si dejan de disponer de los requisitos de segu ridad necesarios. 5.ª Realizar el mantenimiento de las instalaciones, equipos a presión, accesorios de seguridad y dispositivos de control de acuerdo con las condiciones de operación y las instrucciones del fabricante, debiendo examinarlos al menos una vez al año. 6.ª Ordenar la realización de las inspecciones periódicas que les correspondan, de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 6 de este reglamento. 7 .ª Disponer y mantener al día un registro de los equipos a presión de las categorías Ia V del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o asimilados a dichas categorías según su artículo 3.2, así como de las instalaciones sujetas a este reglamento, excepto los ex tintores y los equipos que no requieran inspecciones periódicas, incluyendo las fechas de realización de las inspecciones periódicas, así como las modificaciones o reparaciones. 8.ª Ordenar, en su caso, las reparaciones o modificaciones de acuerdo con lo dis puesto en los artículos 7 y 8 de este reglamento. 9.ª nformar de los accidentes que se produzcan, de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 14 del presente reglamento.
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Artículo 13. Operadores de calderas Los operadores de calderas requieren una formación específica, acreditada median te la obtención del carné de operador. 1. Capacitación del operador La conducción de calderas debe ser confiada a personal capacitado técnicamente. Los operadores de calderas serán instruidos en la conducción de las mismas por el fabricante, el instalador o por el usuario, si dispone de técnico titulado competente.
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manual práctico del operador de calderas industriales 2. Responsabilidades El operador de la caldera es el responsable de vigilar,supervisar y realizar el control del correcto funcionamiento de la caldera, debiendo ser consciente de los peligros que puede ocasionar una falsa maniobra, así como un mal entretenimiento o una mala conducción. Durante el proceso de arranque de la caldera será obligatorio que esta sea conduci da por el operador de la misma, no pudiendo ausentarse hasta que se haya comprobado que el funcionamiento de la caldera es correcto y todos los dispositivos de seguridad, !imitadores y controladores funcionan correctamente. Deberá poder actuar de forma inmediata, manual o remota, en caso de que se dis pare la válvula de seguridad o cualquier otra de las seguridades de la instalación, hasta que se restablezcan las condiciones normales de funcionamiento, utilizando los procedi mientos escritos indicados en el artículo 5.2.f. 3. Carné de operador industrial de calderas Las calderas de la clase segunda, a que se hace referencia en el artículo 3.2 de la presente ITC, de vapor o de agua sobrecalentada deberán ser conducidas por personal con carné de operador industrial de calderas. Para la obtención del carné deberán disponerse de conocimientos técnicos adecuados. Para ello, deberá superarse un curso de capacita ción impartido por entidades autorizadas por el órgano competente de la Comunidad Au tónoma. En el anexo IIde esta ITC, se indican los conocimientos mínimos, la duración del curso y los requisitos que deben cumplir las entidades para la impartición de dichos cursos. El carné, que tendrá validez y eficacia para todo el territorio español, será expedido por el órgano competente de la comunidad autónoma, una vez acreditado por el solicitante: a) Tener cumplidos 18 años. b) La superación de un curso impartido por una entidad autorizada, que incluya los conocimientos y la duración mínima indicada en el anexo II. c)La superación de un examen realizado por el órgano competente de la Comunidad Autónoma. d) En el caso de extranjeros, previo cumplimiento de los requisitos previstos en la normativa española vigente en materia de extranjería e inmigración. Nota: El Anexo IIde la ITC EP-1,respecto a este punto, añade: • Los cursos de capacitación para la obtención de carné tendrán una duración míni ma de 50 horas. • Las entidades que pretendan realizar cursos de capacitación deberán estar acre ditas por el órgano competente de la Comunidad Autónoma. Artículo 14. Calderas de recuperación de lejías negras Las calderas de lejías negras son un caso muy especial ya que se emplean en fábri cas de producción de pasta de papel y requieren de un trato diferenciado. 1. Condiciones generales
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a)Las calderas de recuperación de lejías negras deberán atenerse a las condiciones indicadas en el Reglamento de equipos a presión y en la presente ITC, con las condicio nes particulares expresadas en el presente artículo.
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b)El combustible principal de estas unidades de recuperación son las lejías negras que se generan en el proceso de fabricación de pasta de papel al sulfato, previamente concen tradas en unidades de evaporación. Se utilizan como combustibles auxiliares, combustibles líquidos (fueloil) y/o gaseosos (gas natural, gases licuados de petróleo, etc.). 2. Prescripciones técnicas a) A los efectos contemplados en el artículo 6 de la presente ITC, las unidades de recuperación se consideran como calderas de vapor automáticas de vigilancia directa, debiendo disponer de la presencia permanente de un operario en la zona de caldera o sala de control contigua a la misma. b) En relación con las condiciones específicas indicadas para las salas de calderas en el artículo 6.4 de esta ITC, en este tipo de instalaciones, no son necesarios muros de protección. c) Las calderas deberán disponer de dos sistemas de alimentación de agua inde pendientes y accionados por distintas fuentes de energía. El caudal de agua que deberá aportar cada una de dichas bombas será de 1,5 veces la vaporización máxima más el caudal de agua de purgas. 3. Condiciones de operación a)Adiestramiento del personal en seguridad de forma periódica. b)Simulación programada de situaciones de emergencia. 4. Operadores de calderas Dada la singularidad de este tipo de calderas, el carné de operador requerido en el artículo 11.3 será expedido por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, previa certificación por parte del Comité permanente de seguridad y utilización de calderas de recuperación de lejías negras. 5. Mantenimiento Independientemente de las actuaciones y comprobaciones que deban efectuarse atendiendo a las instrucciones del fabricante. 6. Inspecciones periódicas Las inspecciones periódicas se realizarán de acuerdo con el artículo 6 del Reglamen to de equipos a presión y atendiendo a las especificidades indicadas en el anexo 1.2. Estas inspecciones se realizarán por un organismo de control o por el fabricante de la caldera, si acreditan disponer de los medios técnicos y humanos que se determinan en el anexo Idel reglamento anteriormente citado, para las empresas instaladoras de la categoría EIP-2. Nota: En el Anexo Ide la ITC EP-1 se describen las inspecciones y pruebas periódicas exigibles a las calderas de recuperación de lejías negras. • Nivel A y B Las inspecciones se realizarán anualmente. • Nivel e Las inspecciones periódicas de nivel C se realizarán cada tres años.
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•• • Boletín Oficial del Estado. CAMPSA (1998): Manual técnico sobre utilización de combustibles líquidos. 2.ª edición. Asistencia técnica n.0 12. de Andrés y Rodríguez Pomata, J. A. (1974): Generación de calor. Universidad Politécnica de Madrid, ETSII.Sección de publicaciones. Libro de instrucciones de calderas de Talleres Patricio Ruiz. Martí Deulofeu, J. M. (agosto, 2009): Curso de operadores de calderas. 21.ª edición. Tecno formación. Ministerio de ndustria, Turismo y Comercio: Manual para operadores de calderas. 7.ª edi ción. Centro de publicaciones. Norma UNE 9-100-86 para válvulas de seguridad de calderas de vapor. Normas UNE-EN 12953-10 y UNE-EN 12952-12, para calderas acuotubulares y pirotubulares. Publicaciones de Spirax Sarco. Valiente, A. y Noriega, J. (1993): Manual del ingeniero químico. LIMUSA Grupo Editores. Vergara, V. y Alonso, J. M.: Manual de operadores industriales de calderas. Ente Vasco de la Energía.
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•• • Documentación sobre funcionamiento de una caldera y sus accesorios http://www.spiraxsarco.com Vídeos sobre combustión, calderas y sus elementos como bombas, válvulas, quemadores, etc. http://www.youtube.com Fabricantes de calderas http://www.babcock-wanson.es http://www.patricioruiz.net Bombas centrífugas http://www.ksb.com/ksb-es Válvulas http://www.spiraxsarco.com http://www.samson.es http://www.orbinox.com Analizadores de la combustión http://www.bacharach-inc.com http://www.testo.es Tratamiento de agua http://www.hidro-water.com/home/home.asp http://www.degremont.es/es/index.php .2 e
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Legislación http://www.boe.es
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