4.4 Caldera de vapor
Se aplica a un dispositivo que genera vapor de agua para fuerza, procesos industriales o calefacción y que transmite calor procedente de una fuente externa (generalmente combustible) al fluido que contiene para poder vaporizarlo, en pocas palabras, una caldera es un recipiente metálico, cerrado y con agua en su interior, la cual se calienta hasta una temperatura de ebullición para poder producir el vapor que se usara en otras aplicaciones.
TIPOS DE CALDERAS.
Las calderas se pueden clasificar en función de:
Presión de operación
• Calderas de tubos de humo (Pirotubulares)
En este tipo de calderas, los gases calientes producto de la combustión pasan a través del interior de los tubos o fluxes que actúan como intercambiadores de calor, transfiriendo el calor al agua y eventualmente al vapor que se encuentra en el nivel más alto del tambor de la caldera; el agua y el vapor se encuentran afuera de los fluxes, el agua esta contenida en el recipiente de la caldera.
Las calderas de tubos de fuego como también se les denomina, generalmente son equipos pequeños a medianos, montadas en una misma estructura está el quemador, el ventilador y los instrumentos de control para la operación; son generadores de vapor tipo paquete.
En las calderas de tubos de humo, la circulación del agua, la formación de vapor y la
separación tienen lugar en un gran tambor horizontal, situado arriba del piso del horno a modo de recibir tanto el calor radiante como el de convección. Los gases calientes pasan sobre el tambor y después través de tubos que se extienden a lo largo de un, tambor, el agua de alimentación se mantiene por arriba de la hilera superior de los tubos.
Las calderas de tubos de humo tiene un bajo costo inicial y debido a la gran capacidad del tambor que operan bien bajo las cargas fluctuantes que son comunes en las plantas de proceso.
• Calderas de tubos de agua (Acuotubulares).
Las calderas de este tipo, el agua pasa por dentro de los tubos o fluxes, los gases calientes por fuera, el agua es hervida hasta producir vapor, el cual es colectado en tambores o domos cilíndricos que se encuentran en la parte superior del hogar o cámara de combustión.
Los generadores de vapor de tubos de agua están construidos en rangos muy amplios de tamaños o capacidad y de presión y en general todos los grandes generadores de vapor son de este tipo, dado que los tubos de agua que son de diámetro pequeño de 2 – 4 inch.
Dado que el objetivo de una caldera es extraer el máximo de calor proveniente de la combustión, existen diferente arreglos que involucran diverso accesorios que se encuentran en el G.V tales como una pared de agua o humo, tubos convectivos, sobrecalentadores y recalentadores, economizadores y precalentadores de aire.
Los generadores de tubos de agua operan por el principio de circulación natural del agua (también conocido como termosifón).
Área total de superficie de calentamiento
• Calderas estacionarias.
Se utilizan para calefacción de edificios, para plantas de calefacción central de servicio público, como planta de vapor para procesos industriales, como planta de vapor para centrales eléctricas.
• Calderas móviles.
Incluyen las de tipo locomóvil usadas en los campos petroleros y en los aserraderos, los generadores de vapor pequeños y las que se utilizan para malacates de vapor, tan
familiarizados en las obras de construcción.
• Calderas de circulación forzada.
En lugar de una circulación natural por efecto de la gravedad y de cambio de densidad, pueden emplearse calderas de tubos de agua por circulación forzada del agua y del vapor. En diseños de un solo paso, el agua se bombea por un serpentín continuo y se evapora, y se calienta antes de llegar a la salida.
No se requieren tambores, por lo que son posibles grandes ahorros en costo, pero los
tubos están a sobrecalentamiento y formación de incrustaciones en la parte en donde se forma el vapor, y la capacidad de almacenamiento de agua es baja
Capacidad de producción de vapor
TABLA DE TIPO CALDERA Y RANGOS DE PRESIÓN DE OPERACIÓN
MATERIAL
En la construcción de las calderas se encuentra una variedad considerable de aceros al carbón y aleaciones.
• Acero inoxidable
• Hierro colado
• Hierro colado gris
• Hierro maleable
• hierro colado dúctil
• Hierro dulce
ACCESORIOS
• Manómetros
• Indicadores de nivel de agua
• Termómetros
• Medidores de flujo para vapor
• Aparatos de alarma LSH
• Válvulas
• Sopladores de hollín
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
•Necesidades del servicio
•Características de la carga
•Características del combustible
•Sistema de combustión
•Flujo de gases
•Agua de alimentación
•Fogón
•Fonde de fogón
FILOSOFÍA DE OPERACIÓN.
1. Aprovechar la energía calorífica generada eficientemente por la producción de vapor
2. Por razones de seguridad, deben operar dentro de los parámetros establecidos, son grandes variaciones.
3. controlar su propio suministro de energías.
4. Su sistema de control debe operar eficientemente
Las caderas de vapor pueden operar con una cantidad mínima de indicadores y registradores, pero pocas unidades se pueden operar de una manera segura y eficiente con una operación manual.
Si se considera que muchos de los dispositivos y válvulas que controlan los flujos de aire, combustible y agua, requieren gran esfuerzo para una parida manipulación el sistema de control librera a los operadores de estas tareas t les permite dedicar tiempo a otras actividades; por supuesto, un sistema de control no elimina la necesidad de los operadores, solo hace mas eficiente la operación de la caldera.
Los sistemas de control para las calderas modernas generalmente incluyen válvulas y seguridad, apagadores, equipo para ignición, control de combustible y asegurador de flama ademas de la automatización de arranque y paro.
4.5 Trampas de vapor
Es una válvula automática que permite eliminar el condensado, aire y otros gases no condensables de las tuberías principales de vapor y de equipos que trabajen con vapor, impidiendo al mismo tiempo la perdida de vapor en el sistema de distribución o en el equipo.
CLASIFICACIÓN.
- Termostática
a) De presión equilibrada
b) Para expansión liquida
c) Bimetálica - De impulso (tipo mecánico).
a) De flotador
b) De cubeta abierta
c) De cubeta invertida - Termodinámica.
TIPOS
De esfera flotante.
Algunas veces las trampas para vapor del tipo flotante se denominan trampas de flotante cerrado o simplemente trampas de flotante.
Exteriormente estas trampas de esfera flotante varían bastante en dimensión y forma, de acuerdo al origen, pero el movimiento mecánico dentro de ellas es muy similar en todas.
Consiste en un brazo metálico con la válvula en un extremo y una esfera metálica hueca en el otro. La esfera sube y baja junto con el nivel del agua y al hacer esto cierra o abre la válvula que controla la cantidad de agua que entra al tanque.
De flotante libre.
La llegada de mas condensado s la trampa hará reflotar la esfera, la que gradualmente descubrirá la válvula de manera que el agua pueda salir, dependiendo de la velocidad de condensación de la planta, el caudal de condensado que sale de la trampa variara desde mucho a nada en absoluto, o sea que tiene una acción de descarga continua.
- Ventajas.
Este tipo de trampas de vapor de flotante libre no tiene partes mecánicas en movimiento, de manera que es difícil que algo falle. En consecuencia requiere de un muy pequeño o ningún mantenimiento. - Desventajas.
Puede resultar difícil obtener un asiento realmente bueno de una esfera tan grande sobre el pequeño agujero de salida.
De flotante y palanca.
Entra el vapor al cuerpo de la trampa y al comenzar a condensar hace subir una esfera flotante; la diferencia con el anterior es que ahora la esfera está conectada a una palanca, la que a su vez está conectada con la válvula de salida o drenaje.
Así, cuando el nivel del condensado empieza a subir también lo hace la válvula de salida, la que gradualmente descargará el condensado.
Al igual que la trampa de flotador libre ésta mantiene una descarga continua del condensado.
Una vez terminada la descarga, el flotador baja y nuevamente se acomoda sobre un asiento, impidiendo así el escape del vapor.
- Ventajas.
El drenado puede ir del mínimo al máximo de condensado con igual eficiencia sin verse afectado por los grandes cambios de presión.Tanto si la carga de condensado es pesado o liviana, este tipo trabajara igualmente bien. Tampoco es afectado por amplios bruscos cambios de presión. - Desventajas.
El aire que se mantiene dentro de la trampa no puede salir por la válvula de drenaje, por esto a veces se instala una válvula de escape del aire y gases no condensables en la parte superior de la trampa. Es posible que el flotante (y el elemento termostático) sean dañados por golpes de ariete y el elemento termostático por condensado corrosivo, si la trampa esta equipada con la salida por condensado corrosivo, si la trampa esta equipada con la salida termostática de aire, no deberá ser usada con vapor sobrecalentado.
De balde.
En estos tipos, la válvula de la trampa no es accionada con un flotante esférico, sino por un balde. La diferencias mas importante radica en que no tiene manija.
Hay dos variantes de trampas de tipo de balde:
1. Trampa de balde abierto.
Debido a que el balde esta dentro de la trampa con su parte abierta orientada hacia arriba. Este balde flotará con el condensado cuando permanezca vacío, pero caerá por su peso cuando esté lleno de condensado.
Una vez que entra el flujo de condensado, éste poco a poco irá llenando el espacio bajo el balde, con esto el balde comenzará a subir y la válvula se cerrará. Como aumenta el nivel de condensado éste comenzará a llenar el interior del balde, que debido al peso, tenderá a bajar, abriendo la válvula. Así mismo la presión ejercida por el vapor empujará el condensado por la guía de la varilla de la válvula, descargando el condensado hasta que nuevamente el balde pueda flotar.
- Ventajas.
Son robustas y no hay mucho en ellas que pueda fallar en sentido mecánico.
Pueden resistir golpes de ariete y corrosión mejor que la mayoría de los tipos de trampas mecánicas - Desventajas.
Puede ser dañada por el congelamiento y debe ser montada en una exposición expuesta, el cuerpo debe ser bien aislado
Estas trampas tienen tendencia a ser grandes y pesadas.
2. Trampa de balde invertido.
Debido a que este se halla dado vuelta con su fondo hacia arriba. Éste tipo de trampa posee en su interior un balde cuya abertura está hacia abajo, ósea, de balde invertido.
El sistema de funcionamiento resulta simple. Vemos que el vapor que entra mantiene al balde flotando, si se puede decir así, y mientras flote, éste mantendrá cerrada la válvula de salida.
Cuando comienza a condensar, el interior de la trampa se va llenando del condensado, el que mandará al fondo al balde, causando que la válvula se abra, lo que junto con la presión ejercida por el vapor dentro del balde, descargara el exceso de condensado.
- Ventajas.
La parte que trabaja en la trampa es simple y no hay mucho que pueda fallar mecánicamente. Ella puede resistir condiciones de golpe de ariete (a menos que estos sean excepcionalmente fuertes). La trampa de balde invertido es obtenible para altas presiones y para vapor sobrecalentado. - Desventajas.
Este tipo descargará aire, pero solo muy lentamente.
Termostático
Estas trampas operan mediante un sensor de temperatura, el que identifica la temperatura del vapor y del condensado . El grupo termostático de trampas para vapor se divide en dos secciones principales:
1. Presión balanceada
Este tipo de trampa posee un termostato que en su interior esta lleno de una mezcla de alcohol, que siente la temperatura del condensado y el vapor.
El elemento esta lleno de una mezcla de alcoholes. Esta mezcla tiene un punto de ebullición mas bajo que el del agua; esto es que comienza a hervir a una temperatura inferior a la cual comienza a hacerlo el agua. Si la mezcla de alcoholes es calentada hasta el punto de ebullición del agua, a cualquier presión determinada, se habrá generado una presión dentro del elemento que es mayor que la presión (del vapor) que rodea el elemento.
2. Bimetálicas
El llamado bimetal es la unión de dos laminas delgadas de metales distintos, los que al haber una variación de temperatura se dilatan cantidades distintas.
Entonces el funcionamiento de las trampas bimetálicas es el siguiente: la trampa está abierta en su totalidad en el arranque, donde descargará el aire y el condensado que se encuentre al interior del cuerpo ya que la temperatura de éste es menor que la del condensado.
