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Ingeniería y fabricación térmico energética

Descripción Técnica de Calderas de Vapor y sus Componentes.

CALDERAS DE VAPOR

Definiciones Técnicas :

Las calderas son dispositivos de ingeniería diseñados para generar vapor saturado (vapor a punto de condensarse) debido a una transferencia de calor, proveniente de la transformación de la energía química del combustible mediante la combustión, en energía utilizable (calor), y transferirla al fluido de trabajo (agua en estado líquido), el cual la absorbe y cambia de fase  se convierte en vapor.

Las calderas son la parte más importante del circuito de vapor,después de todo, es donde se crea el vapor. Una caldera puede definirse como un recipiente en el que se transfiere la energía de calorífica de un combustible a un líquido. En el caso de vapor saturado,la caldera proporciona también energía calorífica para producir un cambio de la fase de líquido a vapor.(Spirax Sarco,1999)

CÁMARA DE AGUA:

 Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. 

CÁMARA DE VAPOR:

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

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NORMA ASME

La Norma ASME VIII está dedicada a la definición de los requisitos de proyecto para recipientes a presión . Por más de un siglo las reglas descritas en su ámbito han permitido el desarrollo seguro de calderas, tanques de almacenamiento . (R.Vetturazzi,2016)

Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivel mundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter) y la IVA española UNE 9-300

COMPONENTES MECÁNICOS DE LAS CALDERAS

La estructura real de una caldera dependerá del tipo, no obstante, de forma generar podemos describir las siguientes partes:

Quemador: sirve para quemar el combustible.

Hogar: alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la combustión del combustible utilizado y la generación de los gases calientes.

Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a través de su superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.

Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua liquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.

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             FIGURA 2 – COMPONENTES MECANICOS

Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.

Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor

CONTROLES 

Los controles buscan garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones y requerimientos especificados. En las calderas pequeñas; igual que en las calderas grandes se disponen de sistemas y aparatos que permiten controlar la presión de vapor, el nivel del agua, flujo de vapor, la presencia de llama, el flujo de combustible, y el flujo de aire. 

Sistemas de control de una caldera. Adaptado de (SAXON, 2006) 

Válvula principal de control de gas: permite aislar los dispositivos de control de gas para facilitar las rutinas de reparación y mantenimiento. 

Gobernador de presión de gas: Para garantizar una presión constante del gas de entrada. 

Presostato: Es un suiche de acción inversa accionado por la presión de vapor.El principio de funcionamiento del presostato se basa en el balance de fuerzas entre la ocasionada por la presión de un fluido y la fuerza ejercida por un fuelle y un sistema de resortes. Cuando la presión de vapor alcanza el valor ajustado; la válvula del presostato cierra el paso de gas dejando pasar solo una pequeña cantidad suficiente para mantener la llama. De igual forma; cuando la presión de vapor cae; entonces se da nuevamente paso al flujo de gas por medio de la válvula del presostato. 

Corte por bajo nivel de agua y alarma: El nivel de agua es controlado automáticamente por medio de un flotador el cual tiene también control sobre una válvula de gas. El suiche de mercurio acoplado al flotador puede accionar una bomba de agua, activar una alarma sonora y abrir o cerrar una válvula de gas. La alimentación de agua a la caldera también puede hacerse en forma manual o por medio de un inyector.Figura 3


Control de alimentación de agua. Adaptado de (SAXON, 2006) 

Por razones de seguridad suele utilizarse un segundo sistema de alarma y corte de gas. Este último no dispone del suiche de mercurio de alta. 

Para el control de nivel de agua también se puede emplear un sistema de electrodos que cierran un circuito por medio del agua. Un sistema de un solo electrodo es mostrado en la figura 11. Si el nivel de agua; cae por debajo del electrodo; el circuito se abre y la válvula solenoide se cierra para así activar una alarma. 

Dispositivo de protección de llama: Consiste de un suiche termoeléctrico de falla de llama que se muestra en la figura 11. El suiche puede ser accionado manualmente por medio de un botón de reset. Dispone de una termocupla que cuando es calentada por la llama; energiza un electroimán el cual mantiene cerrado el suiche. Cuando la llama desaparece el suiche se abre debido a que el electroimán se desenergiza. Como este dispositivo esta en serie con la válvula solenoide, esta impide el paso de gas. 

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FIGURA 3 – CONTROL DE NIVEL

Válvula de corte por baja presión: En calderas que no disponen de un control eléctrico se suele utilizar una válvula de corte por baja presión justo antes de la válvula principal de gas. El corte puede realizarse por una línea que puede ser operada por el control de nivel bajo de agua.

Válvula reductora del quemador con enclavamiento: En calderas con ignición manual es necesario impedir que pase el gas si este no va a ser quemado. Esto puede lograrse colocando una válvula piloto de enclavamiento y una válvula principal de gas. Así la válvula piloto debe ser activada antes que la válvula principal. También se puede usar una válvula de palanca giratoria del quemador con una válvula reductora.

Manómetro: Consiste de un medidor de presión tipo Bourdon acompañado de un sifón y una válvula. 

Medidor de agua: Se trata de un tubo de vidrio sostenido entre la base y la cima de la caldera por prensaestopas. Dispone de válvula de vapor, válvula de agua y una válvula de drenaje.

Válvula principal de vapor: Es una válvula de paso colocada directamente cerca a la parte superior de la caldera. 

Válvula de seguridad: Válvula cerrada cargada con un resorte. Se coloca en la parte posterior de la caldera cerca al tope. Está protegida de interferencia por medio de un dispositivo de seguridad.Figura 4.

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FIGURA  4 – VÁLVULA DE SEGURIDAD

ANÁLISIS DE FALLAS EN LAS CALDERAS 

En las calderas es muy importante la detección de fallas, porque eso permite evitar y prevenir accidentes por causa de éstas. El análisis de fallas permite detectar a tiempo problemas en las calderas, tales como: defectos de diseño, fabricación o ensamble de piezas; errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio de los equipos; malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante la operación; por último ayuda a la selección y establecimiento de métodos no destructivos como procedimientos de inspección de las diferentes partes de la caldera.

A continuación se mencionan las causas más comunes de fallas en las calderas, así como los daños más frecuentes.

 

Tabla 1. Causas de fallas en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)

 

CAUSAS 
PIROTUBULARES (% ) 
ACUATUBULARES (% ) 
Corrosión interna en los tubos
1.0
6.5
Corrosión externa en los tubos
3.0
3.5
Limpieza inadecuada
5.1
7.0
Materiales defectuosos
0.4
1.8
Fabricación defectuosa
0.6
4.5
Falta de normas de mantenimiento 
21.0 
23.0 
Fallas en la ejecución de mantenimiento 
28.0 
30.0 
Mala graduación del encendido
2.0
4.0
Mal control del nivel de agua
7.0
12.0
Inadecuado tratamiento de agua 
26.5 
7.0 
Expansiones y contracciones
0.4
0.6
Fallas en obras civiles
5.0
0.1

Tabla 2. Daños más frecuentes en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)

 

CAUSAS 
PIROTUBULARES (% ) 
ACUATUBULARES (% ) 
Refractarios del hogar
6.2
0.3
Refractarios del quemador 
12.3 
9.0 
Refractarios del cuerpo
3.0
6.0
Cuerpo de la caldera
4.0
1.6
Tubería de fuego 
66.4 
——- 
Tubería de agua 
——- 
22.0 
Pared tubos de agua
——-
6.0
Domo superior
——-
0.5
Domo inferior
——-
5.0
Sobrecalentador 
——- 
14.7 
Tiro inducido tiro forzado 
1.5/— 
12.0/16.0 
Chimenea
0.2
5.0
Otros
6.4
1.9