Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica
CALDERAS Definición. Se entiende por caldera de vapor a todo recipiente cerrado cuyo objeto sea la producción de vapor de agua a presión superior a la atmosférica, para su empleo fuera del generador. Todos los tipos de calderas que se han ideado y construído, se pueden clasificar en dos grandes grupos, a saber:
* Las Calderas Pirotubulares, en las cuales los gases calientes pasan por el interior de los tubos de fuego que se hallan sumergidos en el agua a evaporar.
* Las Calderas Acuotubulares, en las cuales el agua circula por el interior de los tubos que se hallan en contacto con los gases calientes provenientes de hogar. A continuación profundizaremos sobre Calderas Acuotubulares.
Calderas de tubos de agua o Acuotubulares. En estas calderas, la masa de agua se reparte en un gran número de tubos de pequeño diámetro, sometidos exteriormente a la acción de los gases de la combustión, y por el interior de los cuales circula el agua. Como el diámetro de los tubos es pequeño, éstos pueden soportar altísimas presiones, en contraposición con las calderas pirotubulares que son solo adecuadas para presiones relativamente bajas. Si llegara a ocurrir la rotura de alguno de los tubos, igualmente, sus consecuencias no son de temer como la explosión de una caldera cilíndrica o del tipo de locomotora, por lo que se las denomina también calderas inexplosivas. La superficie de caldeo y por consiguiente, la capacidad de la caldera puede ser tan grande como se requieran con solo aumentar la cantidad y longitud de los tubos. Debido al pequeño contenido relativo de agua, a su gran superficie de calefacción y a su circulación eficiente de agua, estas calderas puede llevarse rápidamente a las condiciones normales de marcha. Veamos a continuación el principio de funcionamiento y de circulación de agua en este tipo de caldera.
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En esta figura, se ha representado una caldera sencilla con un solo tubo de agua. Solo una rama de este tubo es calentada, mientras que a la otra no le llega el calor por existir una pantalla aisladora. Al recibir calor, el agua de la rama izquierda se calienta disminuyendo su peso específico y transformándose parte en vapor de peso específico aún menor, es decir, que toda esa mezcla de agua caliente y vapor va a moverse hacia arriba para penetrar en el colector, siendo reemplazado el volumen por ella desplazado, por el agua más fría que desciende por la rama derecha del tubo. Se establecen así, las corrientes convectivas que producen la circulación del agua en las calderas acuotubulares.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Elementos constitutivos y auxiliares. Toda caldera tiene como mínimo los siguientes elementos contstitutivos: a) El “cuerpo cilíndrico”, con una cámara de agua y otra con el vapor que se acumula para ser utilizado por la máquina motriz. b) El “hogar” donde se quema el combustible y se forman los gases que calientan el agua. c) La “parrilla” (en caso de utilizarse combustibles sólidos), donde se coloca el combustible a quemar. d) El “altar”, ubicado en la parte posterior de la parrilla, y que tiene por objeto provocar el remolino de los gases de la combustión, permitiendo el contacto de los componentes menos volátiles del combustible. e) El “cenicero”, donde caen las cenizas y escorias del combustible quemado. f) La “cámara de humos”, donde se concentran los gases de la combustión que irán a calentar el agua. g) La “chimenea”, que envía al exterior los gases de la combustión.
Y como elementos auxiliares, en general se cuenta con: a) La “válvula de seguridad”, para permitir el escape del vapor cuando la presión llega a un cierto límite. b) El “manómetro”, que indica la presión del vapor dentro del cuerpo cilíndrico. c) El “indicador de nivel”, que visualiza el nivel del agua dentro cuerpo cilíndrico. d) La “puerta del hogar”, para la carga y reposición del combustible. Posee una abertura inferior por donde penetra el aire necesario para la combustión. e) El “quemador” (para combustibles líquidos o pulverizados), generalmente colocado en la puerta del hogar, y por donde se inyecta el combustible y el aire necesario para la combustión. f) La “entrada de hombre”, que es una abertura ubicada en el cuerpo cilíndrico, que permite efectuar su limpieza y reparación. En las siguientes imágenes, pueden verse en las calderas acuotubulares algunos de los elementos recién nombrados.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Clasificación. Circulación Natural de Agua - Vapor en un Generador de vapor El fenómeno de la circulación natural constituye uno de los elementos más complejos en el estudio sobre calderas. Para cada caso en particular deberá estudiarse, por lo tanto, el fenómeno de circulación. En los tubos ascendentes de un generador de vapor en funcionamiento, circula una emulsión de agua saturada (vapor que tiene un peso específico menor que el agua saturada que se desplaza por los tubos descendentes, ubicados estos en una zona más fría del hogar). Este desequilibrio da origen a la circulación natural dentro del generador de vapor (Fig. 2.2.1). La relación entre el peso del agua saturada con respecto al peso del vapor saturado seco, recibe el nombre de relación de circulación. En las calderas de circulación natural, esta relación puede oscilar en peso entre 20/1 a 16,5/1, mientras que para calderas de circulación asistidas o controladas, esta relación desde varía de 4 a 5/1, o 1/1 en las calderas de paso forzado (Fig. 2.2.2). La velocidad del fluido en los tubos ascendentes oscila entre 1 a 10 pies por segundo (0,3 a 3,1 m/seg.). En general, a los efectos de no permitir temperaturas elevadas del metal, deberá elegirse una velocidad que esté por arriba del 1,3 m/seg. Por lógica, durante el arranque de la caldera las velocidades son mucho menores a las mencionadas anteriormente (Fig. 2.2.1) y por lo tanto, nos encontramos en el punto de criticidad de la caldera. A medida que va aumentando la evaporación en los tubos hervidores que tapizan el hogar, la velocidad del fluído va aumentando hasta un punto máximo en el cual la velocidad es tan elevada que las pérdidas por rozamiento se hacen muy importantes. Pasado dicho punto, la circulación disminuye a pesar de que la capacidad del generador, crece. La zona a la izquierda de dicho punto corresponde a la zona de trabajo o de diseño del generador de vapor. Tal como se gráfica en la Fig. 2.2.2 los parámetros de factores críticos para circulación en calderas. El agua de alimentación deberá ser introducida en el cuerpo cilíndrico en zonas donde no interfiera la circulación dentro de la caldera. El calor que absorben los tubos evaporantes transforman parte del agua contenida en los mismos en vapor, adhiriéndose éste a las paredes del tubo por tener menor tensión superficial y desplazándose con velocidad superior a la del agua. Así la resistencia al pasaje del calor disminuye y la conducción del mismo dependerá del espesor de la película y de la resistencia de la pared. Por ello es importante que la evaporación dentro del tubo se realice en gotas, o en su defecto, tratar de desprender dicho film por medios mecánicos. Varias constructoras de calderas han diseñado distintas formas de separación que van desde ranuras internas helicoidales, hasta simples obstrucciones al pasar. La diferencia de presión motriz originada por el sifón natural, debe lograr una energía cinética en el fluido que debe ser suficiente para vencer las resistencias lógicas del circuito. Esta presión motriz es producida por la diferencia de densidades entre los tubos descendentes y ascendentes, y la altura geodésica. Las calderas acuotubulares de circulación natural pueden clasificarse en los siguientes tipos:
* Caldera Tipo “D” : Las calderas tipo D, son unidades acuotubulares de circulación natural, diseñadas para combustión con horno a presión positiva (presurizada). Se han desarrollado a partir de la disposición básica de dos domos y tubos curvados verticales con las paredes del horno enfriadas por agua, combinadas con el haz de convección. Esta configuración desarrollada hace años, se ha convertido en el diseño normal aceptado por la mayoría de los fabricantes de calderas industriales. Las paredes soldadas de tubos, representa un desarrollo de gran éxito en los grandes generadores de vapor para producción de energía, y han sido adoptadas para calderas industriales. Este diseño hace mínimo el uso de refractarios (con su alto costo de mantenimiento) e impide la fuga de gases. Al mismo tiempo reduce significativamente la temperatura de la cubierta exterior y la posible corrosión de la misma. Se ha normalizado un amplio tamaño de domos que aseguran su funcionamiento estable, un sobrecalentador combinado radiante - convectivo que produce una curva característica de temperatura plana. Los tubos de caldera se disponen “en línea” para obtener la mayor absorción de calor con el 6
Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica mínimo de perdida de tiraje. Esto se combina con una amplia accesibilidad que permite la inspección interna de ambos extremos del haz de convección. Una serie de tubos de bajada protegidos del calor, proveen un nivel de agua estable en toda la longitud del domo. Los quemadores se ubican en el frente de la caldera y como máximo se emplean dos Estas calderas se utilizan cuando se quema combustible gaseoso o líquido (gas natural o nafta, etc.). Se montan la mayoría de las veces en fábrica y son transportados a la obra como si fuese un paquete.
Caldera tipo “D” para combustible gaseoso y líquido
* Caldera Tipo “V” : Es una caldera muy versátil diseñada para poder quemar petróleo, gas natural y diversos gases residuales; la caldera tiene un rango de capacidades que van desde 60 t/h hasta 500 t/h de vapor, con presiones de diseño hasta 130 kg/cm2 y temperatura de vapor sobrecalentado hasta 540°C. Esta caldera de dos domos y circulación natural, es el desarrollo más experimentado en el mundo. En ellas, los gases de combustión entran al haz de tubos a una temperatura uniforme a todo lo ancho de la unidad. La superficie de convección de la caldera, que según el caso está formada por tubos de 51 mm. (2”), 57 mm (2.25”) o 63mm. (2.5”) está provista de diafragmas transversales para asegurar la distribución pareja de la corriente de gas y para obtener la transmisión de calor más eficiente con la menor pérdida de tiraje. Con la construcción de las paredes soldadas de la caldera, no se requiere ya más que la cubierta exterior esté diseñada para soportar la presión interna de la cámara de combustión. El único material refractario existente en el horno y sometido a alta temperatura (excepto los ladrillos que forman el piso) es el refractario plástico con el que se forman las bocas de los quemadores. En ambas ubicaciones los refractarios se hallan además intensamente refrigerados por agua y su eventual reparación se puede efectuar con la mayor sencillez. En caso que sea necesario reemplazar un tubo, la parte dañada puede ser cortada y reemplazada por otra soldada. No hay cubiertas interiores o material refractario que deba ser desmontado o reemplazado. Dado que los tubos están separados por aletas de 25mm. de ancho; el tubo que reemplaza al otro dañado, puede ser soldado en toda su circunferencia sin tener que mover otros.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Algunas características: Combustión La caldera tipo “V” está diseñada para combustión a presión. Por lo tanto es innecesario instalar ventiladores de tiraje inducido, eliminando así el costo correspondiente y el mantenimiento. La combinación de la combustión a presión y de las paredes de la caldera totalmente soldadas impiden la infiltración de aire y las fugas de gases. Quemadores frontales Según sea el tamaño, se utilizan 2, 4, 6 u 8 quemadores, que además se hallan disponibles en una variedad de tamaños individuales. Sobrecalentador radiante convectivo La ubicación del sobrecalentador a todo lo ancho de la zona de salida de gases de la cámara de combustión, permite aprovechar el máximo de las ventajas de la distribución uniforme de los gases sobre la superficie de transmisión. Diseño modular El diseño modular con que se construyen estas unidades, permite la selección individual del tamaño y proporciones de la caldera, y de la cámara de combustión para cualquier combustible dentro de los rangos límites de la caldera. Partiendo de los elementos modulares básicos se pueden obtener más de diez mil combinaciones útiles de ancho, alto y largo de horno, diámetro de domo, altura entre domos, tamaños de tubos y presiones de diseño. Este tipo de caldera puede emplearse para quemar combustible sólido (carbón o celulósico). En tales casos, se alarga el fondo del hogar y se elimina el piso. En esta ubicación se coloca una grilla fija o móvil para utilizarla como elemento que asegure la combustión a desarrollar. Muchas veces para mantener la plena producción de la caldera, se emplea combustible líquido o gaseoso .
Caldera tipo “V” autosoportada 8
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* Caldera radiante: La denominación de “radiante” deriva del hecho de que en este tipo de caldera, la absorción de calor, en las superficies de calefacción se verifica, en gran medida, a través de transferencia de energía radiante. Debido a su gran capacidad de producción de vapor son utilizadas fundamentalmente en la generación de energía eléctrica y en grandes plantas industriales. Se requiere en los diseños, economizadores y calentadores de aire para obtener una eficiencia compatible con los costos del combustible. El tamaño de las unidades obliga al montaje en obra, no obstante muchos componentes son armados en taller. Es importante destacar, que son del tipo colgante soportadas desde una estructura exterior. Algunas características: Hogar Constituido en su totalidad por pares de agua, dispuesto en forma de pared membrana o respaldo estanco de tubos tangentes. Una o más paredes divisorias pueden ser instaladas, dependiendo esto de los requerimientos funcionales y económicos del diseño. Generalmente los tubos de pared de agua son de 2.5” o 3” con circulación natural, dependiendo el paso entre centros del tipo de pared adoptada. Combustión Los combustibles más frecuentemente utilizados son el carbón pulverizado, la nafta y el gas natural, o la combinación simultánea de alguno de ellos. La modalidad de operación puede ser de tipo balanceado o forzado. Quemadores Se pueden ubicar en las esquinas conformando una estructura de fuego tangencial, teniendo la posibilidad de ser fijos o regulables. También es posible su disposición como quemadores horizontales fijos montados sobre las paredes frontales o posteriores. Sobrecalentadores y recalentadores. Debido al tamaño de las unidades, se disponen de sobrecalentadores primarios en la zona convectiva y de sobrecalentadores secundarios en la zona radiante, lo que da como resultado una respuesta plana de la curva de temperatura final del vapor en función de la carga. El recalentamiento del vapor se puede realizar en dos etapas, la primaria o convectiva y la secundaria en la zona radiante no luminosa (posterior al sobrecalentador radiante, en unidades de gran tamaño), o con recalentadores dispuestos en la zona de absorción radiante no luminosa convectiva en unidades más pequeñas. Caldera radiante para combustible líquido y gaseoso Con respecto al carbón, la formación de cenizas al quemar nafta es relativamente baja, y nula en el caso del gas natural. Además, la menor emisión del gas natural implica una menor cantidad de liberación de calor en forma radiante, por lo tanto, el espacio volumétrico, como así también la altura del hogar de estas calderas, resultan más reducidas que aquellas destinadas a consumo de carbón. La formación de gases producto de la combustión resulta superior para gas natural y nafta, ambos respecto del carbón, lo que obliga a ampliar considerablemente el espacio volumétrico para alojar superficies de calefacción convectivas en estas calderas respecto de las carboneras.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Circulación asistida y forzada A medida que se va aumentando la presión, la diferencia entre el peso específico entre los tubos de bajadas y ascendentes se hace cada vez menor y es necesario para producir una circulación adecuada aumentar la altura de la caldera, para llegar a presiones motrices adecuadas. Por lo general, la circulación natural se emplea en los generadores que trabajan por debajo de los 185 kg/cm2 en el vapor. Sin embargo, algunos fabricantes recomiendan este tipo de circulación para equipos que trabajan por debajo de los 162 kg/cm2. La bomba de circulación asistida, o la bomba de alimentación para el caso particular de una caldera de paso forzado, permite una circulación controlada, proporcionando una mayor libertad en el diseño, en la elección del tamaño y en la distribución de los tubos. De esta manera se puede lograr diseños más eficientes en espacios limitados. Las calderas de circulación controlada o de paso forzado difieren de las de circulación natural por la forma del hogar y, eventualmente, por la eliminación del cuerpo cilíndrico en el caso de las calderas supercríticas, mientras que las otras superficies de intercambio de calor como ser el sobrecalentador, el recalentador intermedio, el economizador, el atemperador, los calentadores de aire, etc., son diseñados de la misma forma que para la caldera de circulación natural. Eligiendo altas velocidades en los tubos evaporantes y en los gases de combustión pueden obtenerse altas concentraciones de calor en el hogar, disminuyendo las dimensiones del mismo. Al poderse controlar la velocidad dentro de los tubos, puede seleccionarse diámetros más pequeños que aquellos de circulación natural, reduciendo al mínimo la cantidad de agua manejada (menor inercia térmica) y el peso que debe soportar la estructura metálica será mucho menor. Con la circulación controlada se puede obtener una gran flexibilidad de operación, permitiendo calentamientos rápidos y disminución de los períodos de arranque. A pesar de todas estas ventajas, deben ser enumerados además los siguientes inconvenientes en estos tipos de diseño: *Mayor demanda en la energía de los elementos auxiliares (consumo de las bombas de circulación del 0,5% al 06% de la generada con presiones que oscilan entre 2 y 3 atmósferas aproximadamente. *Mayor pureza en las características del agua de alimentación. *Sistemas automáticos de regulación, control y protecciones más complicados. Las calderas acuotubulares de circulación forzada o asistida pueden clasificarse en los siguientes tipos: * Caldera La Mont: La caldera La Mont fue inventada por el ingeniero de la marina estadounidense Walter La Mont y la caldera se desarrolló con la colaboración de constructores de calderas europeos, concretamente británicos y alemanes. La caldera La Mont es una caldera de acoutubular de circulación forzada y del tipo de recirculación. En el hogar, se encuentra el vaporizador formado por delgados tubos de acero que rodean totalmente a dicho hogar, excepto por el frente el cual va revestido por tubos refractarios. En este frente, están las aberturas correspondientes para los quemadores y puertas de los hornos donde se puede quemar indistintamente nafta o carbón pulverizado. El colector está situado en el exterior de la caldera y, por lo tanto, no sometido a la acción del calor del horno, que está situado a unos dos tercios de la altura de la caldera y está parcialmente lleno de agua. A continuación se puede ver en la figura, una caldera La Mont – Mercier con sus respectivas partes indicadas.
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* Caldera Benson: Es del tipo circulación forzada que se caracteriza por efectuarse el cambio de agua a vapor a la presión y temperatura crítica. Las calderas Benson se construyen de dos clases : 1) De un solo paso; 2) De Recirculación. Las calderas Benson de un solo paso carecen de colectores y su superficie de calefacción está formada por un sistema de tubos de acero molibdeno, subdividido en varios elementos que constituyen el economizador, el vaporizador y el calentador, pero siendo el vaporizador dividido en dos secciones. En la caldera Benson, el agua entra a una temperatura de 180ºC y presión ligeramente superior a la crítica en el economizador, donde su temperatura se eleva hasta alcanzar los 300ºC. Desde dicho economizador, pasa al vaporizador donde en su zona de radiación alcanza los 360ºC alcanzando en la de convección del vaporizador los 374ºC con una presión de 225 atmósferas (232,52 kilos por centímetro cuadrado). Por último el vapor pasa al recalentador donde aumenta su temperatura al tiempo que disminuye la presión a 200 atmósferas (206,6 kilos por centímetro cuadrado). Dado que a una presión tan elevada no se puede prolongar demasiado la expansión porque se causaría un serio perjuicio a las turbinas, se hace trabajar al vapor en una turbina de alta presión para disminuir ésta hasta las 56 atmósferas (57,84 kilos por centímetro cuadrado), tras lo cual se hace pasar al vapor de nuevo por la caldera donde se recalienta y mantiene los 450ºC pero ya a una presión de 50 atmósferas para ser utilizado. Estas calderas ocupan poco espacio en superficie pero ocupan más en altura siendo ésta en las calderas marinas (7 metros aproximadamente). En las calderas Benson de recirculación, hay un colector situado verticalmente en el frontal de la caldera, siendo el resto de la instalación similar a las de un solo paso. La presión de este tipo de caldera está entre 70 y 90 kilos por centímetro cuadrado para una temperatura de vapor entre 450ºC y 480ºC. 11
Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica * Caldera Sulzer: La caldera Sulzer monotubular se desarrolló en el campo de las presiones subcríticas, basándose su diseño en dos conceptos fundamentales: 1- La distribución del fluido de trabajo en el número previsto de tubos en paralelo, se efectúa cuando aún se trata de agua pura sin burbujas de vapor. 2- El punto de evaporación para instalaciones subcríticas es mantenido fijo (en el botellón). Este hecho es de significación para la regulación, dando además oportunidad para efectuar purgas, y con ello, permitir el empleo de igual calidad de agua que en calderas de circulación natural. El agua llega por medio de la bomba de alimentación al economizador, fluyendo luego por el evaporador hasta el separador o botellón Sulzer; aquí se separa el agua del vapor. El vapor saturado pasa luego por los sobrecalentadores hasta alcanzar la temperatura deseada, saliendo luego hacia la turbina. El punto de evaporación final fijo (características de la caldera Sulzer) da la ventaja que los diversos circuitos de regulación pueden ser independientes evitándose la influencia entre sí. La regulación interna de la caldera se subdivide entonces en cuatro circuitos a saber: 1- Regulación del agua de alimentación. 2- Regulación del nivel del botellón. 3- Regulación de temperatura del vapor. 4- Regulación de presión. El hogar de la caldera Sulzer se caracteriza por la disposición del hogar con paredes de agua en forma helicoidal.
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Comparación entre la caldera acuotubular y pirotubular. Según lo expuesto anteriormente, estos dos tipos de calderas se diferencian por la forma como circulan los gases de la combustión: Por el interior de los tubos en las calderas pirotubulares, y por el exterior de los tubos en las calderas acuotubulares. Como consecuencia de esta disposición distinta, en las calderas acuotubulares los tubos están sometidos a esfuerzos de tracción a causa de la presión del agua y del vapor que circula por su interior. En cambio, en las calderas pirotubulares, los tubos están sometidos a esfuerzos de compresión por acción del agua y vapor que los rodean externamente, por cuyo efecto pueden achatarse, siendo convenientemente hacerlos corrugados para que ofrezcan más resistencia. Para comparar las calderas es necesario tener en cuenta, entre otros, los siguientes factores: *El rendimiento térmico; *El mayor o menor facilidad de control; *El costo inicial; *El costo de mantenimiento; *El tipo de combustible a utilizar; *El espacio disponible para su instalación. Pero, como las pirotubulares se construyen únicamente para presiones inferiores a 18 atmósferas y, en cambio, las acuotubulares pueden construirse para presiones superiores a 100 atmósferas, su comparación es factible cuando estén comprendidas dentro del mismo intervalo de presiones. En general, las calderas acuotubulares ofrecen las siguientes ventajas: *El rendimiento térmico es superior al de la caldera pirotubular; *La puesta en marcha es más rápida, lo que presenta una economía en el consumo de combustible; *Pueden construirse para presiones mucho más altas y en unidades simples, con capacidad de evaporación mucho mayor, alcanzándose valores de la vaporización específica del orden de 70kg. de vapor por m 2 hora; *El espacio requerido para su instalación resulta menor que el necesario para una caldera pirotubular de igual potencia; *La construcción permite efectuar fácilmente las modificaciones que requiera un cambio de combustible. En cambio, ofrecen las siguientes desventajas: *Son más costosas, por cuanto requieren elementos y materiales de mayor potencia, a consecuencia de las presiones elevadas a las que están sometidos; *No son aptas para aguas duras, por cuanto las sales que se depositan en el interior de los tubos, no solo dificultan el paso del líquido, sino que hacen disminuir la transmisión del calor por conductibilidad, al aumentar el espesor de las paredes del tubo.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Tratamientos de agua. El agua se encuentra en la naturaleza y va acompañada de diversas sales y gases en disolución. Según los elementos que la acompañan, podríamos considerar las mismas en dos grandes grupos: *Elementos Disueltos; *Elementos en Suspensión; Esto lo constituyen los minerales finamente divididos, como las arcillas y los restos de organismos vegetales o animales, y la cantidad de sustancias suspendidas, que son mayor en aguas turbulentas que en aguas quietas y de poco movimiento. Constituyen los elementos disueltos en el agua, las sustancias orgánicas, las sales minerales, los gases disueltos, las sales minerales y la sílice, aunque ésta también suele aparecer como elemento en suspensión en forma de finas partículas o coloides. Las aguas pueden considerarse según la composición de sales minerales presentes en: *Aguas Duras: Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles, principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones. *Aguas Blandas: Su composición principal está dada por sales minerales de gran solubilidad. *Aguas Neutras: Componen su formación una alta concentración de sulfatos y cloruros que no aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, o sea que no alteran sensiblemente el valor de pH. *Aguas Alcalinas: Las forman las que tienen importantes cantidades de carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua reacción alcalina elevando en consecuencia el valor del pH presente. Problemas derivados de la utilización del agua en calderas Los problemas mas frecuentes presentados en calderas pueden dividirse en dos grandes grupos: * Problemas de corrosión; * Problemas de incrustación. Y menos frecuentemente: * Problemas de ensuciamiento y/o contaminación. Corrosión Para que esta aparezca, es necesario que exista presencia de agua en forma líquida; el vapor seco con presencia de oxígeno no es corrosivo, pero los condensados formados en un sistema de esta naturaleza son muy corrosivos. En las líneas de vapor condensado, se produce el ataque corrosivo más intenso en las zonas donde se acumula agua condensada. La corrosión que produce el oxígeno, suele ser severa, debido a la entrada de aire al sistema. A bajo valor de pH, el bióxido de carbono abarca por si mismo los metales del sistema y acelera la velocidad de la corrosión del oxígeno disuelto cuando se encuentra presente en el oxígeno. El oxígeno disuelto ataca las tuberías de acero al carbono formando montículos o tubérculos, bajo los cuales se encuentra una cavidad o celda de corrosión activa; esto suele tener una coloración negra, formada por un óxido ferroso-férrico hidratado. Incrustación La formación de incrustaciones en el interior de las calderas suelen verse con mayor frecuencia que lo estimado conveniente. El origen de las mismas está dado por las sales presentes en las aguas de aporte a los generadores de vapor, las incrustaciones formadas son inconvenientes debido a que poseen una conductividad térmica muy baja y se forman con mucha rapidez en los puntos de mayor transferencia de temperatura. Por esto, las calderas incrustadas requieren un mayor gradiente térmico entre el agua y la pared metálica que las calderas con las paredes limpias.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Otro tema importante que debe ser considerado, es la falla de los tubos ocasionada por sobrecalentamientos debido a la presencia de depósitos, lo que dada su naturaleza, aíslan el metal del agua que los rodea pudiendo así sobrevenir desgarros o roturas en los tubos de la unidad con los perjuicios que ello ocasiona. Las sustancias formadoras de incrustaciones son principalmente el carbonato de calcio, el hidróxido de magnesio, el sulfato de calcio y la sílice. Esto se debe a la baja solubilidad que presentan estas sales y algunas de ellas, como es el caso del sulfato de calcio, decrece con el aumento de la temperatura. Estas incrustaciones forman depósitos duros muy adherentes, difíciles de remover, y algunas de las causas más frecuentes de este fenómeno son las siguientes: * Excesiva concentración de sales en el interiorde las unidades; * El vapor condensado tienen algún tipo decontaminación; *Transporte de productos de corrosión a zonas favorables para su precipitación. Aplicación inapropiada de productos químicos - Ensuciamiento por contaminación: Se consideran como contaminantes, las distintas grasas, los aceites y algunos hidrocarburos. Este tipo de contaminación es la más frecuente vista en la industria. Dependiendo de la cantidad y característica de los contaminantes existentes en el agua de aporte a la caldera, la misma generará en su interior depósitos: Formación de espuma con su consecuente arrastre de agua concentrada de caldera a la línea de vapor condensado, siendo la misma causante de la formación de incrustaciones y depósitos en la sección post-caldera. La formación de espuma, suele ocurrir por dos mecanismos: Uno de ellos es el aumento del tenor de sólidos disueltos en el interior de la unidad, los que sobrepasan los límites aceptados de trabajo. La presencia de algunos tipos de grasas y/o aceites (como ácidos orgánicos) producen una saponificación de las mismas dada la alcalinidad, temperatura y presión existentes en el interior de la caldera. La contaminación por hidrocarburos agrega a lo visto, la formación de un film aislante dificultando la transferencia térmica entre los tubos y el agua en el interior de la unidad, agravándose esto con las características adherentes de este film que facilita y promueve la formación de incrustaciones y la formación de corrosión bajo depósito, proceso que generalmente sigue al de formación de depósitos sobre las partes metálicas de una caldera. Acciones correctivas Un buen operador de calderas puede controlar y compensar los efectos indeseables del agua de proceso en la caldera. La adición de productos químicos como antiespumantes, secuestrantes de metales corrosivos, neutralizadores de gases corrosivos, modificadores de alcalinidad y pH, pueden exitosamente solucionar los problemas de daños y desgaste anormal de la caldera. Lo que puede ocurrir y es muy frecuente, es que el operador no cuente con un laboratorio de análisis químico de respaldo o no este capacitado adecuadamente para comprender qué efectos tiene cada uno de los componentes químicos que acompañan el agua y no se implemente el tratamiento adecuado. Si el servicio de operación y mantenimiento de la caldera es externo, puede ocurrir que el prestador del servicio, de la formulación en sus productos para el acondicionamiento y tratamiento interno de todas las calderas independientemente del análisis y composición del agua en particular, sea esta de una fuente propia como es un pozo o de la red municipal. Sistema de tratamiento de agua desmineralizada en calderas El concepto de desmineralizar el agua que se alimenta a una caldera tiene la gran ventaja de poder emplear una sola formulación o adición de sustancias químicas que protejan la caldera de la acción corrosiva e incrustante del agua de proceso, independientemente de la procedencia y calidad del agua. Enumeraremos a continuación, distintos procesos o tratamientos para aguas de proceso en calderas.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica a) Proceso de ablandamiento tradicional: En el proceso de ablandamiento con resinas cationicas, el calcio y el magnesio son intercambiados por iones sodio. En el proceso de ablandamiento, la salinidad o contenido de sales disueltas en el agua no disminuye, de hecho se incrementa ligeramente. b) Proceso de ablandamiento por membranas: Para que el agua pueda ser procesada por membranas, previamente deberá tener un adecuado tratamiento externo, para garantizar la ausencia de sólidos y coloides en el agua a alimentar a la caldera. En el proceso de membranas, si éstas son de osmosis inversa, las sales son removidas y el permeado o producto solo contiene trazas de sales disueltas. En el proceso de membranas, se remueven del agua de alimentación a la caldera componentes indeseables como: calcio, magnesio, fierro y otros metales, carbonatos y bicarbonatos, cloruros, sulfatos, etc., por lo que estos ya no precipitan en el calentamiento y evaporación del agua en la caldera. En el ablandamiento por membranas, la salinidad disminuye debido a que no es una reacción de intercambio, sino un proceso de tamizado a nivel atómico y molecular que separa los iones en dos corrientes: Una que es el producto sin iones disueltos y un rechazo que acarrea los iones que ya no contiene el agua producto y que originalmente contenía el agua de alimentación a la membrana. Al no tener sales, el agua de alimentación no se requiere de las frecuentes purgas y la consiguiente reposición del agua desechada. Esto conduce a un menor gasto de productos químicos y a menores pérdidas de calor por el agua caliente que se desecha en la purga. El agua desmineralizada es altamente corrosiva, por lo que es necesario neutralizar ésta y agregar sustancias químicas que suban el pH y tengan una acción protectora con el metal con el que estarán en contacto en la caldera.
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Economizadores. En unidad generadora de vapor, el economizador representa una sección independiente de superficie de intercambio, que absorbe calor sensible de los gases de combustión para entregárselo al agua de alimentación antes que la misma ingrese a la caldera. De esta manera, se consigue bajar la temperatura de los gases y por lo tanto, aumenta el rendimiento del generador de vapor, lo que implica una economía de combustible. El economizador es el último o ante último (dependiente de la existencia del calentador de aire) equipo recuperativo interpuesto en la corriente de gases de salida. Esta disposición hace que la transmisión de calor en el mismo se verifique fundamentalmente por convección. Básicamente se construyen de dos tipos: los adyacentes y los integrales. Los integrales en su versión más moderna son similares al haz convectivo de una caldera, o sea dos domos – uno inferior y otro superior – unidos por bancos de tubos que conforman la superficie de calefacción. El diámetro y el esparcimiento de los tubos pueden ser igual que el de la caldera, o pueden ser modificados para mejorar la absorción de calor, la pérdida de tiro, la velocidad de agua y las condiciones de lavado externo. El agua es alimentada por el colector inferior y fluye a través de los tubos hasta el colector superior. Los gases fluyen de dos maneras a lo largo de los tubos, preferentemente entrando por la parte superior y bajando en forma recta a contra corriente del flujo de agua, o atravesando los tubos en un paso o múltiples pasajes. El economizador del tipo adyacente consta de un colector inferior, por donde ingresa el agua, una tubería continua dispuesta en forma de serpentina horizontal que constituye la superficie de calefacción y un colector donde se acumula el agua para su salida. La salida a su vez esta conectada a través de una tubería con el interior del domo, del cual parte una línea de re-circulación, utilizada en el arranque. Es siempre preferible que la corriente de gases atraviesen los tubos del economizador desde arriba hacia abajo y que el agua de alimentación ingrese por la parte inferior y fluya hacia arriba a través de los tubos. Este diseño a contra corriente, además de permitir obtener la máxima diferencia promedio de temperaturas para la transmisión de calor, reduce la superficie de calefacción y las perdidas de tiro a un mínimo. El flujo ascendente del agua ayuda a evitar los golpes de ariete que pueden ocurrir en algunas situaciones
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Sobrecalentadores y recalentadores. La función de un sobrecalentador es elevar la temperatura del vapor por encima del nivel de saturación. Dado que el vapor ingresa en el sobrecalentador esencialmente seco, la posterior absorción de calor sensible incremente su temperatura. El recalentador recibe vapor sobrecalentado el cual ha sido parcialmente expandido a través de la turbina. Su función es la de volver a calentar el vapor hasta la temperatura de diseño. El sobrecalentador y el recalentador, tienen una función semejante ya que sirven para elevar la temperatura del vapor. En el sobrecalentador, el vapor llega directamente de la superficie principal de calefacción de la caldera, mientras que en el recalentador el vapor que llega, proviene de la expansión de alta presión de la turbina. Como el recalentador es propiamente una forma de sobrecalentador, se lo considera como tal en este tema. * Tipos de sobrecalentadores y recalentadores: El diseño del sobrecantador y recalentador depende de la función específica a obtener. Para temperaturas de salida relativamente bajas se usan sobrecalentadores solamente del tipo convectivo, mientras que para altas temperaturas finales del vapor, los requerimientos de superficie son mayores y necesariamente, los sobrecalentadores son ubicados en zonas de muy altas temperaturas. En este caso pueden utilizarse sobrecalentadores o recalentadores del tipo radiante. El tipo original y básico de sobrecalentador y recalentador fue el convectivo, para temperaturas de gases en donde la transferencia de calor por radiación era muy pequeña. La característica de este tipo de sobrecalentador es que al incrementarse la carga de la caldera - al aumentar la velocidad del vapor y los gases de combustión – decrece el porcentaje del calor ingresante que se absorbe en el hogar, dejando una mayor cantidad de calor disponible para su absorción en el sobrecalentador. Como el porcentaje de transferencia de calor por convección es aproximadamente una función directa de la carga, la absorción total, en este tipo de sobrecalentador por kilogramo de vapor, se incrementa con el aumento de la carga de la caldera. Precalentadores de aire. Su función es aumentar la temperatura del aire que ingresa para producir la combustión, utilizando el calor de los gases de combustión provenientes del economizador. Al producirse, antes que salga al exterior, permite obtener un mayor aprovechamiento de la capacidad calorífica de estos y un mejor rendimiento de la caldera. Al aumentar la temperatura del aire que se inyecta para la combustión, se consigue una mayor temperatura en los gases de combustión. Los precalentadores se colocan también en la parte posterior de la caldera, en conjunto con el economizador, ubicados en las paredes del hogar. El aire es aspirado por el precalentador, y una vez que aumenta su temperatura es impulsado hacia el hogar por el ventilador. Es conveniente calentar el aire hasta una temperatura de 200ºC o 300ºC, a diferencia de los gases de combustión que ingresan en los precalentadores a unos 180ºC y se enfrían a unos 120ºC. Al quemarse, el combustible contiene gran cantidad de azufre que al combinarse con el oxigeno se produce anhídrido sulfúrico, que al depositarse sobre las paredes del precalentador ataca a las mismas. Para evitar el ataque y el desarrollo de suciedad en los tubos, es aconsejable no enfriar los gases de combustión mas allá de la temperatura indicada por esta relacion = Temperatura mínima de los gases de combustión en frío = 65 + 10 x S *Donde S es igual al porcentaje de azufre que contiene el combustible que se esta quemando. 18
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Los precalentadores están constituidos, generalmente por tubos de acero dulce, sin costura. La velocidad del aire y de los humos varían entre 5 y 7 m/seg, habiendo casos en los que se logran obtener velocidades próximas de los 19 m/seg. Existen 4 tipos de precalentadores: *Precalentadores de tubos: Cajas constituidas por una serie de tubos, que por su interior circulan humos rodeando estos tubos, y calentando el aire. Son tubos que se colocan soldados o mandrilados, de un espesor de 2 a 4 mm. y un diámetro de 50 a 100 mm. Su longitud puede ser hasta 6m. La separación de los mismos debe ser tal que la velocidad de circulación de los humos y del aire resulten prácticamente iguales. La superficie de los precalentadores es generalmente del 35 al 40% de la superficie de la caldera. *Precalentadores recuperativos: Están constituidos por cajas cerradas, dentro de las cuales se encuentra un gran numero de chapas las cuales se colocan en forma vertical y separan los gases de la combus tión del aire, en capas lo mas delgadas posibles. La superficie de este precalentador llega a ser casi igual o aun mayor que la superficie de calefacción de la caldera. Se utilizan chapas de aceros soldadas, de 2 a 4 mm. de espesor separadas a una distancia que varia entre 10 y 35 mm., de forma tal de obtenerse la misma circulación en los gases y el aire. Este tipo de precalentador llega a tener una altura de hasta 4m., por lo que necesita de la colocación de tiras de fijación interpuestas entre las chapas, que sujeten las mismas e impidan su curvatura. En este tipo de precalentador el aire y los gases de combustión circulan siempre en sentido contrario. *Precalentador regenerativo: Llamado también rotatorio o de Ljungström, está constituido por un tubo circular dividido por un diámetro vertical en dos mitades, por una de las cuales se hace circular en sentido ascendente a los gases de combustión, y por la otra, el aire que se va a inyectar que circula en sentido descendente. En este conducto, donde se encuentran los gases, existe un rotor del mismo diámetro del tubo que gira aproximadamente a 4 o 6 rpm. Este rotor esta constituido por unas 16 o 20 células formadas por placas metálicas prensadas, que al ser atravesadas por los gases de combustión se calientan. Como estas células se encuentran en continuo movimiento, al pasar a la otra mitad del tubo, son atravesadas ahora por la otra mitad del tubo, y por el aire frío que circula en sentido contrario. De esta manera, le ceden el calor que poseen. Como estas células giran constantemente, serán calentadas nuevamente por los gases de la combustión , obteniendo una superficie continua de calefacción. Estos precalentadores deben estar provistos por cierres y juntas adecuadas para impedir las fugas de los gases, y la mezcla de éstos con la corriente del aire. La potencia consumida es rara vez , superior a 0,5 HP. Su tamaño llega a ser hasta un 35% menor que el precalentador recuperativo, lo que exige menor espacio para su instalación. Su inconveniente principal, es que debe tener una energía auxiliar y que inevitablemente se van a producir algunas fugas de gas a través de las juntas. *Precalentador de calentamiento indirecto: Constituido por dos conductores separados. Por uno de ellos, ascienden los gases de combustión, y por el otro, desciende el aire. Contiene un circuito cerrado formado por dos serpentines, cada uno de los cuales se encuentra alejado dentro de los tubos mencionados y contiene en su interior un liquido especial (bifenilo), que se encuentra en movimiento constante por la acción de una bomba. Este liquido absorbe y cede calor muy fácilmente, por condensarse y vaporizarse con gran facilidad. Los gases de combustión calientan este liquido y al circular, éste es impulsado por la bomba y cede calor al aire que desciende por el otro conducto.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Separadores de vapor. Es un accesorio que se coloca lo más cerca posible de las máquinas de consumo. Se lo utiliza, sobre todo, en aquellas calderas que no poseen recalentadores de vapor. Separan del vapor, la cantidad de agua que se arrastra, haciendo que llegue a la máquina de consumo solamente vapor seco, e impidiendo que el vapor húmedo pueda llegar a dañarla. Son tubos construidos en forma de T. Al chocar este contra la pared posterior interna del tubo y cambiar bruscamente su dirección en 90º, precipita hacia la parte inferior la humedad que el mismo contiene, precipitación que se produce a causa de la fuerza de gravedad, saliendo por consiguiente, el vapor seco bifurcando hacia ambos costados. Conducción de calderas. La eficiente conducción de la caldera permite al fogonero obtener el mayor aprovechamiento del calor desarrollado en la combustión. Una caldera, es una instalación delicada, que obliga al encargado a vigilar en todo momento el manómetro, el nivel del agua y la válvula de seguridad, así como también los aparatos de alimentación y todos los demás accesorios que lleva la instalación. El hollín producido por la combustión debe ser retirado periódicamente de las superficies de los tubos, a los efectos de que estos depósitos no dificulten la transmisión de calor. Esta operación se puede hacer mediante el empleo de cepillos rascadores, o con el lanzamiento de un chorro de vapor o agua a una presión tal que permita separar los depósitos producidos. Además, las partes inferiores de las calderas, deben ser limpiadas periódicamente par evitar las corrosiones producidas por las sales que contiene el agua. Los escapes y perdidas de agua de vapor colector, pueden ocasionar corrosiones sobre la cara externa de la caldera, lo que exige una atención inmediata para subsanar estos inconvenientes. Para la construcción de las calderas, se utiliza generalmente chapas de hierro. Para mayores precisiones de vapor debe utilizarse aceros, ya sea aceros al carbono o al niquel-molibdeno, dependiendo esto de la presión de vapor que suministre la instalación. Las principales causas de accidente de una caldera son: *Vaporización excesiva, se esta haciendo trabajar a la caldera por arriba de su capacidad propia de trabajo; *Descenso del nivel del agua, mas allá del nivel mínimo que permite la caldera; *Alimentación de la caldera con aguas sumamente duras, las que debido al exceso de sales que contienen, debilitan la resistencia de la chapa con que a sido construida la caldera ; *Alta presión, debido a que se esta haciendo trabajar a la caldera a un a presión superior a aquella para la cual ha sido diseñada .
Pérdidas por calor. El sistema caldera, puede tener pérdidas por radiación, convección y por purga. Las pérdidas por radiación las constituye el calor que se escapa a través de la superficie de las paredes. Cuando se disipa calor por medio de fluidos con distinta temperatura se tiene una pérdida por convección. Las pérdidas por purga están constituidas por el calor que escapa al eliminar los sólidos o impurezas disueltos en el agua, y que se han acumulado dentro de la caldera.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Mantenimiento y funcionamiento óptimo. Se resumen a continuación una serie de recomendaciones prácticas que indican una pauta de actuación, encaminada a optimizar las actividades de mantenimiento y conservación en las calderas para generación de energía en plantas industriales: 1) Reducción de las pérdidas de calor: •Defectos en el aislamiento térmico. •Fugas por bridas, prensas de válvulas, etc. •Funcionamiento correcto del sistema de recuperación de condensados. Mejora del rendimiento y del funcionamiento: *Funcionamiento correcto de las calderas, comprobando, especialmente, los siguientes parámetros: •Hollín: Se produce en combustiones incompletas. Ajustar quemadores, y realizar labores de limpieza. •Estanqueidad: Pueden producirse entradas parásitas de aire, o fugas de humos (especial atención al dióxido de carbono). •Ventilación: Una entrada insuficiente de aire exterior puede empobrecer el contenido de oxígeno en el aire comburente, y disminuir la eficiencia de la combustión. Mantener los huecos, o rejillas de entrada libres y limpios. •Chimeneas: Extraer periódicamente los hollines depositados generalmente en su base, que pueden obstruir parcialmente la salida de humos, influyendo negativamente en el tiro y, por tanto, en la combustión. Además, el hollín contiene restos de azufre que en contacto con el agua de lluvia puede producir ácido sulfúrico que corroe las paredes metálicas. •Condensaciones en los humos: Impedir que las temperaturas de entrada de los fluidos a los economizadores o recuperadores de calor descienda por debajo del punto de rocío del anhídrido sulfuroso/sulfúrico de los humos (aprox. 130ºC), para impedir su condensación y formación de ácido sulfúrico. •Incrustaciones en las superficies de intercambio de calor: Verificar sistemáticamente la buena calidad del agua de alimentación y, sobre todo, del agua de caldera. Las incrustaciones en estas superficies dificultan la transmisión de calor a través de ellas disminuyendo sensiblemente el rendimiento. Puede llegar incluso, a formarse una capa tan gruesa, que impida la refrigeración de los tubos. *Funcionamiento correcto de los quemadores, prestando especial atención a los siguientes aspectos: •Comprobar que la pulverización se realiza correctamente con los combustibles líquidos. Verificar y limpiar sistemáticamente las cabezas de pulverización mecánica, o asistida, o por centrifugación. •Seguir meticulosamente las instrucciones del fabricante para situar exactamente los elementos en su posición correcta, manteniendo las distancias prescritas. De no ser así, se provocan encendidos defectuosos, combustiones incompletas y, como consecuencia, descenso del rendimiento. *Regulación y control de los sistemas comprobando su buen funcionamiento, especialmente en lo concerniente a: •Caudales, temperaturas y presiones de los combustibles. •Caudales, temperaturas y presiones del agua de alimentación. •Caudales, temperaturas y presiones del vapor, o del agua sobrecalentada que genera la caldera. •Valores de consigna y bandas de actuación de los distintos sistemas. •Actuación correcta de las protecciones y elementos de seguridad mecánicos y eléctricos. •Revisión y comprobación de función de cuadros eléctricos.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Corrosión. En la caldera es posible encontrar diferentes tipos de procesos corrosivos. Cualquiera de ellos puede causar daños de consideración y costosas reparaciones. Los tipos más comunes son: *Corrosión por Oxígeno: El oxígeno disuelto en el agua se convierte en un elemento muy corrosivo, especialmente cuando el agua se calienta. Uno de los aspectos más negativos es que la corrosión por oxígeno se presente en forma de perforaciones profundas, pues no se requiere de una gran pérdida de metal para que se produzca una falla en un tubo. La severidad de la corrosión por oxígeno depende de la cantidad de oxígeno disuelto en el agua, del pH y de la temperatura de la misma. *Corrosión Ácida: El agua bajo pH, ataca al metal en forma generalizada y no localizada como en el caso del oxígeno. El control de un pH adecuado en el agua de la caldera es muy importante, ya que la operación en condiciones de relativa acidez, provoca una corrosión muy severa en un tiempo relativamente corto. En la mayoría de los casos, la alcalinidad presente en el agua de alimentación es suficiente, ya que al concentrarse en ésta, automáticamente el pH del agua de la caldera alcanza niveles superiores a 9,5. Cuando la alcalinidad del agua de alimentación es insuficiente, se agrega soda cáustica como parte del tratamiento. Las calderas que están instaladas en industrias azucareras, por ejemplo, están muy expuestas a contaminación del agua con mieles o azúcar. Esto puede ocasionar un descenso en el pH del agua y provocar gran corrosión en pocas horas. *Corrosión Cáustica: A pesar de que para un adecuado pH es importante operar en condiciones alcalinas, un exceso de iones hidroxilo (OH) particularmente en calderas que trabajan a alta presión, puede resultar en un ataque corrosivo. Este ataque es localizado y por lo general está favorecido por la información de depósitos porosos, en los cuales se evapora el agua dejando una alta concentración cáustica. Sistemas de baja presión, no están expuestos a este tipo de corrosión. Fragilidad cáustica del metal: La fragilidad cáustica del metal, también conocida como resquebrajamiento ínter cristalino del acero al carbón, es causada por una reacción corrosiva que se realiza siguiendo los bordes de los granos cristalinos dentro del metal. El ataque al metal, por lo general, no se detecta y la falla se presenta en forma repentina, a menudo con resultados catastróficos. El término “fragilidad cáustica” tiene su origen en el hecho de que las fallas ocurren en presencia de una solución cáustica muy concentrada y de que el metal falla como si sufriera de una quebradura repentina sin que se pueda apreciar que hubiese una deformación previa del metal. Para que se presente un problema de resquebrajamiento ínter cristalino, se requiere la conjugación de tres factores independientes: 1) Que exista un escape de vapor, el cual permita la concentración de agua de caldera en el punto de fuga; 2) Ataque al metal por la concentración de soda cáustica originada por la concentración del agua de la caldera, la cual en ese caso particularmente posee la característica muy especial de producir la fragilidad; 3) Que el área de metal expuesta a la concentración haya estado sometida a un esfuerzo de tensión. La fuga y subsiguiente concentración de agua de caldera, puede presentarse en áreas donde los tubos de la caldera son cilindrados al domo. La expansión y contracción alternas del metal como resultados de los cambios de temperatura en la caldera, pueden propiciar la formación de pequeñas rendijas por las cuales el agua de la caldera puede escapar. Como se requieren tres factores par iniciar este proceso corrosivo, si eliminamos uno de ellos, se hará desaparecer el riesgo de dicho problema. Se ha comprobado que cuando una determinada agua tiene la característica propiedad de producir la fragilización cáustica, y la misma se mantiene con una cierta relación de nitrato/cáustica en el agua de la caldera, se elimina la propiedad fragilizadora.
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Válvulas. Válvulas de seguridad: Uno de los accesorios importantes de la caldera es la válvula de seguridad. Su función es proteger el cuerpo de la caldera de sobrepresión y evitar que explosione. Hay muchos tipos diferentes de válvulas de seguridad instaladas en la planta de la caldera; todas deben cumplir el siguiente criterio: *La o las válvulas de seguridad deberán dar salida a un caudal de vapor equivalente a la potencia térmica de la caldera. *El rango de capacidad de descarga total de las válvulas de seguridad debe estar dentro del 110% de la presión de diseño de la caldera. *El orificio que conecta una válvula de seguridad a una caldera debe ser como mínimo de 20 mm. *La tara máxima de la válvula de seguridad será la presión máxima permisible de trabajo de la caldera. *Debe haber un margen adecuado entre la presión normal de trabajo de la caldera y la tara de la válvula de seguridad. La figura 18 nos muestra una válvula de interrupción típica de este tipo:
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Válvulas de interrupción de calderas: Una caldera de vapor debe tener instalada una válvula de interrupción , también conocida como válvula de salida de vapor. Esta, aisla la caldera de vapor y su presión del proceso o la planta. Generalmente , es una válvula de globo en ángulo del modelo de husillo. La figura 19 nos muestra una válvula de interrupción típica de este tipo:
Válvulas de retención: La válvula de retención se instalan en la retención de la tubería del agua de alimentación de la caldera, entre la bomba de alimentación y la caldera. Una válvula de aislamiento para la alimentación a la caldera se instala en el cuerpo de la caldera. La válvula de retención contiene un resorte que mantiene la válvula cerrada cuando no hay presión en la caldera aunque el tanque de alimentación tenga un nivel elevado, además de prevenir que la caldera se inunde por la presión estática del agua de alimentación. Bajo condiciones normales de vapor, la válvula de retención funciona de una manera convencional para detener flujo del retorno de la caldera que entra en la línea de alimentación cuando la bomba de alimentación se para. Cuando la bomba de alimentación se pone en marcha, su presión vence al resorte para alimentar la caldera. Las figura s 20 y 21 nos muestra una válvula de interrupción típica de este tipo:
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Válvulas de purga de fondo : Las calderas deben tener como mínimo una válvula de purga de fondo, en un lugar cercano al que se acumule el sedimento o lodo. Estas válvulas deben accionarse con una llave y están diseñadas de tal manera que es imposible sacar la llave con la válvula abierta. Ahora, hay disponibles válvulas de purga de fondo automáticas que se controlan por temporizadores incorporados en los controles electrónicos que aseguran que una sola caldera puede purgarse a la vez. Las figuras 22 y 23 muestran válvulas típicas de purga de fondo:
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Trabajo Práctico Calderas – Termodinámica Capacidad de una instalación de calderas. 1- Potencia de producción: a) Parrilla:
Ambas expresiones de potencia dependen del combustible (tamaño de los trozos, comportamiento en el hogar, residuos, etc.), de la temperatura del aire de combustión y de la forma más o menos íntima en que se realiza el contacto de éste con el combustible. En virtud del empleo de aire insuflado por debajo de la regulación por zonas, del calentamiento del aire, del aumento de la cámara de fuego y de la introducción de aire secundario calentado, puede aumentarse considerablemente la carga de la parrilla. b) Hogar:
c) Superficie de calefacción:
2- Calidad de la producción: a) Rendimiento del hogar:
b) Rendimiento en las superficies de calefacción:
En las calderas modernas en las cuales los hogares y superficies de calefacción constituyen una unidad compacta, es casi imposible establecer una rigurosa separación de ambos rendimientos.
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