1

FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE GENERADORES DE

VAPOR PIROTUBULARES MARCA POWERMASTER

REPORTE PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE: INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA

PRESENTA:

ELPIDIO ALEJANDRO HERNANDEZ CABRERA

DIRECTOR DE TESIS ING. ARMANDO GARCIA MANZANO

CD. MENDOZA., VER 2012

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA CD. MENDOZA., VER

2

AGRADECIMIENTOS

A Dios: Por ser parte de mi, por darme salud, paz y tranquilidad en mi vida y ponerme en este mundo y brindarme una hermosa familia y por todo lo que hasta ahora he tenido y he sido.

A mis Padres: Rodrigo Hernndez Pascual

Beln Cabrera Martnez Por su ejemplo, comprensin, apoyo y amor.

A mis Hermanos: Isabel, Rolando, Hugo, Laura y Arturo Por todo su apoyo brindado.

A mi Pareja

Por todo su apoyo recibido. Gracias!

A mis Hijos: Alejandro, Alexia, Oscar

A mi nuera Flor y mi nieta Ainara

A Todos mis sobrinos pero en Especial a Ingrid por su valioso apoyo

3

INDICE

INTRODUCCION

1

Capitulo 1 Conceptos generales sobre calderas

3

1.1 Clasificacin 4

1.2 5 Elementos de una caldera 5

1.2.1 5 Cmara de agua 5

1.2.2 Cmara de vapor 6

1.3 Clasificacin de las calderas 8

1.3.1 Por la disposicin de los fluidos 8

1.3.2 8 Por su configuracin 9

1.3.3 Por el mecanismo de transmisin de calor dominante 9

1.3.4 Por el combustible empleado 9

1.3.5 Por el tiro 11

1.3.6 Por el modo de gobernar la operacin 11

1.4 Elementos de funcionamiento de una caldera 12

1.4.1 Fuego 12

1.4.2 Agua 12

1.4.3 Superficie de intercambio de calor

13

4

1.5.

Combustibles para calderas 13

1.5.1

Carbn. 13

1.5.2

Petrleo. 14

1.5.3

Gas. 14

1.5.4

Combustibles de residuos. 14

Capitulo 2 Tipos de calderas. 16

2.1

Calderas piro-tubulares 17

2.1.1

Caldera tipo locomvil 19

2.1.2

De retorno horizontal 20

2.1.3

De horno interno 21

2.2

Calderas Acuatubulares 22

2.2.1

Caldera acuotubular de Cornwall. 23

2.2.2

Caldera acuotubular steinmuller.

24

2.2.3

Caldera Belleville.

25

2.2.4

Caldera de tubos doblados.

25

2.2.5

Caldera de tubos doblados y paredes de agua.

27

2.2.5.1 Caldera tipo A.

27

2.2.5.2 Caldera tipo O.

28

2.2.5.3 Caldera tipo D. 28

5

Capitulo 3 Principio de funcionamiento de las calderas y produccin de vapor.

29

3.1

Principio de funcionamiento segn James Watt y Dionicio Papn.

30

3.2

Calderas pirotubulares.

33

3.3

Calderas Acuotubulares.

34

Capitulo 4 Calderas y sus componentes.

38

4.1

Componentes principales

39

4.2

Accesorios auxiliares.

41

4.2.1

Accesorios de seguridad.

42

4.2.2

Accesorios de control.

46

4.2.3

Accesorios de operacin.

49

4.2.4

Accesorios de medicin.

49

4.3

Equipo para la combustin.

50

4.4

Sistema de alimentacin de agua.

51

Capitulo 5 Operacin y funcionamiento de sus componentes

56

5.1 Descripcin del funcionamiento de cada componente.

57

5.2

Accesorios auxiliares.

62

5.1.2.1

Accesorios de seguridad.

62

5.1.2.2

Accesorio de control.

70

5.1.2.3 Accesorios de operacin. 77

6

5.1.2.4

Accesorio de medicin. 101

5.2

Operacin correcta e incorrecta. 102

Capitulo 6 Mantenimiento preventivo y diagnostico. 108

6.1

Recomendaciones para la conservacin de la caldera 109

6.1.1

Importancia de los mantenimientos. 110

6.1.2

Mantenimiento preventivo de la caldera pirotubular 112

6.1.3

Mantenimiento diario. 112

6.1.4.

Mantenimiento semanal 115

6.1.5

Mantenimiento mensual. 115

6.1.6

Mantenimiento semestral. 115

6.1.7

Mantenimiento anual. 115

6.1.8

Sugerencias cuando se va a realizar un mantenimiento General en una caldera pirotubular.

117

6.2 Anlisis de fallas: Sntoma-posible causa posible, solucin en las calderas pirotubulares.

130

6.2.1

Origen y solucin de averas. 130

6.2.2

Falla: en el arranque. 131

6.2.3

Falla: falta aire. 132

6.2.4.

Falla: en el encendido 133

6.2.5

Falla: no se produce la formacin de la llama. 134

6.2.6

Falla: tras la formacin de la llama se produce la desconexin. 135

6.2.7

Falla: del control de llama en la ionizacin. 136

7

6.2.8

Falla: mala combustin. 136

6.2.9

Falla: fugas en registros. 137

6.2.10

Falla: fuga en la vlvula de purga. 137

6.2.11

Falla: fuga en tapa de enfrente. 138

6.2.12 Falla: fuga en el control del nivel. 138

6.2.13

Falla: la bomba de agua no funciona. 139

6.2.14

Falla: la caldera se llena completamente de agua. 140

6.2.15 Falla: en el control de presin. 141

CONCLUSIONES 142 GLOSARIO 145 BIBLIOGRAFIA 150

1

Introduccin

Me motiv a realizar este trabajo sobre calderas, la experiencia

adquirida en las empresas en que he laborado, he observado que tiene diferentes

polticas para el cuidado de sus calderas, como es: operacin, normas de

seguridad y su mantenimiento.

Cabe mencionar que se dan situaciones en las que se les olvida que

estn frente a un equipo peligroso, por la presin interna que se maneja del vapor,

ocasionando accidentes en el personal o paros imprevistos de la planta, ya que el

vapor es indispensable en los procesos.

Las caractersticas de automatizacin incluidas en el diseo del equipo,

no relevarn de ninguna manera al operador o encargado del equipo, tales

caractersticas lo delegan de tener que efectuar algunas tareas rutinarias, y le dan

as ms tiempo para dedicarse al correcto cuidado de sus calderas; tambin se

comentan las experiencias que han tenido tcnicos y operarios especialistas en

eventos cuando realizan los mantenimientos y que se transmiten a travs de ellos.

Lo que se busca es que el alumno tenga las bases para la comprensin lgica de

todas estas fases y operaciones, para ser gua til y efectiva, que sepa aplicar las

normas que rigen los equipos que manejan presin y tengan una idea de las

actividades de mantenimiento diario que se llevan a cabo para tener una caldera

en ptimas condiciones de operacin, no teniendo paros imprevistos y aprovechar

al mximo los recursos naturales como el agua, el gas y que no estemos

contaminando el medio ambiente. Para lo cual se aplica la norma-085 que es la

que respalda al realizarse las auditoras del ISO 14001. Tambin me llam la

atencin a realizar este trabajo que en las empresas que he trabajado han daado

severamente sus calderas, por lo cual han sido perjudicadas econmicamente

con sus reparaciones, esto es el resultado de que las actividades y

mantenimientos no se realizaron bien por los operadores y encargados.

2

En la actualidad con las calderas que estoy operando tienen aos

que no han tenido daos severos, esto es porque el personal que est a

cargo, trabaja con procedimientos que se deben aplicar estrictamente, no

teniendo desviaciones de datos escritos. Ya que son puntos de referencia

como estn trabajando y en qu condiciones fsicas estn actualmente.

Esta informacin escrita sirve tambin para las auditoras que

realizan la S.T.P.S.

Caldera es todo aparato de presin, donde el calor procedente de

cualquier fuente de energa se transforma en energa utilizable, a travs de un

medio de transporte en fase lquida o vapor.

3

CAPITULO 1

CONCEPTOS GENERALES SOBRE CALDERAS

4

1.1. Clasificacin.

Las calderas son la parte ms importante del circuito de vapor,

despus de todo, es donde se crea el vapor. Una caldera puede definirse

como un recipiente en el que se transfiere la energa de calorfica de un

combustible a un lquido. En el caso de vapor saturado, la caldera

proporciona tambin energa calorfica para producir un cambio de la fase de

lquido a vapor. Las calderas o generadores de vapor son instalaciones

industriales que, aplicando el calor de un combustible slido, lquido o

gaseoso, vaporizan o calientan el agua para aplicaciones industriales.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teir ropas,

producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papn cre una pequea caldera

llamada "marmita". Se us vapor para intentar mover la primera mquina

homnima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba

vapor hmedo (de baja temperatura) y al calentarse sta dejaba de producir

trabajo til. Luego de otras experiencias, James Watt complet una mquina

de vapor de funcionamiento continuo, que us en su propia fbrica. La

mquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papn en 1769 y

desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. Inicialmente fueron

empleadas como mquinas para accionar bombas de agua de cilindros

verticales.

Ella fue la impulsora de la revolucin industrial, la cual comenz en

ese siglo. Mquinas de vapor alternativas de variada construccin han sido

usadas durante muchos aos como agente motor, pero han ido perdiendo

gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas

encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso

por KW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalacin e

inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

5

1.2. Elementos de una caldera.

Las calderas de vapor, constan bsicamente de 2 partes principales:

Cmara de agua.

Cmara de vapor.

1.2.1. Cmara de agua.

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la

caldera, el nivel de agua se fija en su fabricacin figura 1.1, de tal manera que

sobrepase en unos 15 cms. Por lo menos a los tubos o conductos de humo

superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de

agua, lo cual forma la cmara de agua. Segn la razn que existe entre la

capacidad de la cmara de agua y la superficie de calefaccin, se distinguen

calderas de gran volumen, mediano y pequeo volumen de agua.

.

Figura. 1.1. Vista interior del nivel de agua de una caldera.

6

Las calderas de gran volumen de agua son las ms sencillas y de

construccin antigua, se componen de uno a dos cilindros unidos entre s y

tienen una capacidad superior a 150 HLT de agua por cada de superficie de

calefaccin. Las calderas de mediano volumen de agua estn provistas de varios

tubos de humo y tambin de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la

superficie de calefaccin, sin aumentar el volumen total del agua. Las calderas

de pequeo volumen de agua estn formadas por numerosos tubos de agua de

pequeo dimetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie

de calefaccin.

Como caractersticas importantes podemos considerar que las

calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener ms o menos

estable la presin del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy

lentas en el encendido y debido a su reducida superficie producen poco vapor,

adicionalmente son muy peligrosas en caso de explosin y poco econmicas.

Por otro lado, las calderas de pequeo volumen de agua, por su gran

superficie de calefaccin, son muy rpidas en la produccin de vapor, tienen muy

buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor, debido a esto

requieren especial cuidado en la alimentacin del agua y regulacin del fuego,

pues de faltarles alimentacin, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

1.2.2. Cmara de vapor.

Entre el nivel del agua y la toma de vapor figura 1.1, es el espacio

ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del

agua en suspensin. Cuanto ms variable sea el consumo de vapor, tanto mayor

debe ser el volumen de esta cmara, de manera que aumente tambin la

distancia. Adicionalmente las calderas tienen dentro de su configuracin gran

cantidad de elementos en cuanto a operacin y control.

7

Adicionalmente un sistema de generacin de vapor tiene:

Vlvulas de seguridad.

Estn diseadas para liberar fluido cuando la presin interna supera

el umbral establecido. Su misin es evitar una explosin, el fallo de un equipo o

tubera por un exceso de presin.

Vlvulas reguladoras de flujo.

Bomba de alimentacin.

Tanque de condensados.

Trampas de vapor.

Tipo de vlvula automtica que filtra el condensado (es decir vapor

condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar

al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para calentamiento o

como fuerza motriz para un poder mecnico. Las trampas de vapor son usadas

en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el vapor.

Redes de distribucin.

Equipos consumidores.

Sistemas de recuperacin de calor.

El sistema de recuperacin de calor est diseado para recuperar las

prdidas de calor y un porcentaje del agua contenida en la purga de caldera.

8

1.3. CLASIFICACION DE LAS CALDERAS.

1.3.1. Por la disposicin de los fluidos.

Piro tubulares: En este tipo de calderas los gases de combustin

circulan por el interior de los tubos y manejan presiones de operacin de 0-300

(lb/ ).

Ventajas:

Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseo.

Mayor flexibilidad de operacin.

Menores exigencias de pureza en el agua de alimentacin.

Son pequeas y eficientes.

Inconvenientes:

Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento.

No son empleadas para altas presiones.

Acuatubulares: En este tipo de calderas el agua circula por el interior

de los tubos y manejan presiones de operacin de 0-2200 lb/ .

Ventajas:

Pueden ser puestas en marcha rpidamente y trabajan a 300 o ms

lb/ .

Inconvenientes:

Mayor tamao y peso, mayor costo.

9

Debe ser alimentada con agua de gran pureza

1.3.2. Por su configuracin.

Vertical.

Horizontal.

1.3.3 Por el mecanismo de transmisin de calor dominante

Conveccin.

Tpicamente son las calderas HRSG (Heath Recovery Steam

Generator), sin cmara de combustin. Utilizan un fluido caliente como fuente de

calor, producto de algn proceso previo (hornos de fundicin, hornos de vidrio,

turbinas de gas, motores diesel, etc.)

Radiacin.

Radiacin y Conveccin.

1.3.4. Por el combustible empleado.

Combustibles slidos.

Los combustibles slidos utilizados son muy variados: lea en todos los

tamaos (rolos, astillas, chips), deshechos de produccin (pellets de madera,

aserrn, bagazo de caa de azcar, cscara de arroz), carbn (en distintos grados

de pulverizacin), etc.

Cada uno requerir una tecnologa apropiada para poder quemarlos de

la mejor manera, desde molinos para pulverizarlos finamente hasta grillas muy

sofisticadas. El diseo del hogar para estos combustibles es sumamente complejo,

teniendo que considerar el ingreso de aire suficiente y su correcta mezcla con el

10

combustible, la permanencia de las partculas en el hogar para quemarse

completamente y la disposicin de las cenizas entre otros factores.

Combustibles lquidos.

Se fabrican Generadores de Vapor de todo tipo y tamao que utilizan

combustibles lquidos.

Requieren de instalaciones de almacenaje y tanques de servicio, de

elementos de precalentamiento del combustible y de sistemas de bombeo y

transporte.

La viscosidad de estos combustibles vara desde 30 40 centistokes

(100C) en los combustibles de baja viscosidad hasta 700 centistokes (100C) y

ms para combustibles de alta viscosidad, como los utilizados en sistemas de

generacin elctrica.

En las plantas industriales en general se utilizan combustibles de

viscosidad del orden de 380 - 450 centistokes (100C).

Combustibles gaseosos.

Utilizan tanto gas natural como GLP, aire propanado o gas obtenido en

gasifica dores.

Generalmente los quemadores de gas trabajan con muy baja presin,

por lo que es comn que tengan sistemas de reduccin de presin importantes.

En el caso de tener asociado un gasificado que suministre un gas muy

particulado se utilizan cmaras torsionales a fin de aumentar el tiempo de

permanencia del combustible en el hogar.

Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.)

11

De recuperacin de calor de gases.

Mixtas.

Nucleares.

1.3.5. Por el tiro.

De tiro natural.

De hogar presurizado.

De hogar equilibrado.

1.3.6. Por el modo de gobernar la operacin.

De operacin manual.

Semiautomticos.

Automticos.

De acuerdo con la presin del vapor que producen:

De baja presin (hasta 2,0 ).

De mediana presin (sobre 2,0 hasta 10 ).

De alta presin (sobre 10 hasta 225 .

Supercrtica (sobre 225 .

12

1.4. ELEMENTOS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA

CALDERA.

Fuego: Debe existir un buen proceso de Combustin.

Agua: Deben existir rigurosos controles de su calidad.

reas de Intercambio de Calor: Los tubos y superficies de intercambio

deben estar en ptimas condiciones de limpieza.

1.4.1. Fuego.

El proceso de combustin es de gran importancia en la operacin de

las calderas, debe ser lo ms ptimo posible en cuanto a su consumo y adems

amigable con el medio ambiente.

Para que se d el proceso de combustin es necesario que exista un

combustible, un comburente (aire) y un agente externo que produzca la ignicin

(chispa), cuando esto ocurre se da una reaccin qumica del combustible con el

oxgeno, para producir gases de combustin y liberar energa en forma de

trabajo y calor, la cual es aprovechada en las calderas para evaporar el agua.

1.4.2. Agua.

El agua obtenida de ros, pozos y lagos es denominada agua bruta y

no debe utilizarse directamente en una caldera.

El agua para calderas debe ser tratada qumicamente mediante

procesos de descarbonatacin, ablandamiento y desmineralizacin total;

adicionalmente segn la presin manejada por la caldera, es necesario controlar

los slidos suspendidos, slidos disueltos, dureza, alcalinidad, slice, material

orgnico y gases disueltos (CO2 Y O2). De no llevarse a cabo este tipo de

13

tratamiento, la caldera sufrir problemas de incrustaciones, sedimentacin,

desgaste por material particulado, etc.

1.4.3. Superficie de intercambio de calor.

La tubera por la que circulan los gases en las calderas piro tubulares o

el agua en las Acuatubulares es fundamental para una eficiente transferencia de

calor. De la buena combustin y tratamiento de agua, as como de las

caractersticas fsicas del material de intercambio de calor depende que el flujo de

energa de los gases de combustin hacia el agua sea lo ms eficiente posible.

1.5. Combustibles para calderas.

Los tres tipos ms comunes de combustible que se usan en las

calderas de vapor son: carbn, combustible-aceite y gas. Sin embargo, tambin

se usan residuos industriales o comerciales en ciertas calderas y electricidad para

las calderas de electrodos. Normalmente, el tipo de combustible se elige

dependiendo de cul tiene la tarifa ms atractiva.

1.5.1. Carbn.

Carbn es el trmino genrico dado a una familia de combustibles

slidos con un alto volumen de carbono. En esta familia, hay varios tipos de

carbn, cada uno relacionado con la fase de formacin del carbn y el volumen de

carbono. Estos estados son; Turba, Lignito, Carbn bituminoso, Semi bituminoso,

Antracita. Como combustible de la caldera, se suele usar el bituminoso y la

antracita. Un promedio razonable es: para producir aproximadamente 8 kg de

vapor se ha de quemar 1 kg de carbn.

14

1.5.2. Petrleo.

El aceite-combustible que se usa en la caldera proviene del residuo

producido de petrleo crudo despus de que se ha destilado para producir

productos ms ligeros como el aceite de motor, parafina, queroseno, diesel y

gasoil. Hay varios grados disponibles, cada una adecuado para los diferentes

tipos de calderas, los grados son los siguientes: Clase D: Gasoil, Clase E: Aceite-

combustible ligero, Clase F: Aceite-combustible medio, Clase G: Aceite-

combustible pesado. Puede producirse aproximadamente 15 kg de vapor por kg

de aceite-combustible o 14 kg de vapor por litro de aceite-combustible.

1.5.3. Gas.

El gas es la forma de combustible de caldera que es fcil quemar con

poco exceso de aire. Los gases combustibles estn disponibles en dos formas

diferentes; Gas natural. ste es gas que se ha producido (de manera natural)

bajo tierra. Se usa en su estado natural, salvo la eliminacin de impurezas, y

contiene metano en su forma ms comn.

El gas licuado de petrleo (GLP).

stos son gases que se producen al refinar el petrleo y se almacenan

bajo presin en un estado lquido hasta que se vayan a usar. Las formas ms

comunes de GLP son propano y butano. Una Termia de gas producir

aproximadamente 42 kg de vapor en la salida de una caldera a 10 bar de presin,

con una eficacia de la caldera del 80%.

1.5.4. Combustible de residuos.

sta puede ser una fuente barata de combustible primario para las

calderas. Antiguamente, las calderas de combustible de residuos, podan quemar

desechos derivados del proceso como cortezas de madera o el aceite sucio. La

15

legislacin actual hace difcil que las calderas renan los requisitos de emisiones

necesarios. Ahora es ms normal que el combustible de residuos sea quemado

como parte de un paquete de energa total. Un ejemplo sera un hospital

quemando los residuos en un incinerador de gas, donde los gases calientes

mezclados se usaran para alimentar una planta productora de vapor,

probablemente como parte de un proceso de combinacin generada de energa y

calor.

16

CAPITULO 2

TIPOS DE CALDERAS

2. 1 Calderas Piro tubulares.

2. 2 Calderas Acuatubulares.

17

2.1. Calderas Piro tubulares.

Las calderas piro tubulares son aquellas en las que los gases de la

combustin circulan a travs de tubos que estn rodeados por agua. Muchas de

las calderas pequeas y medianas de la industria son de este tipo. Los gases de

la combustin se enfran a medida que circulan por los tubos, transfiriendo su

calor al agua. La transferencia de calor es funcin de la conductividad del tubo, de

la diferencia de temperatura entre el agua y los gases, de la superficie de

transferencia, del tiempo de contacto, etc. Un ejemplo tpico de este tipo de

calderas muestra la figura 2.1 en la que se aprecia un pequeo hogar sobre el

recipiente agua, que a su vez es traspasado longitudinalmente por los tubos de

los gases de la combustin.

Figura 2.1. Caldera piro tubular.

18

Las calderas piro tubulares pueden disearse con diferentes pasos

de los tubos de humos por el recipiente con agua. El hogar se considera el

primer paso y cada conjunto de tubos en el mismo sentido un paso adicional

ver figura 2.2. Las calderas piro tubulares suelen trabajar hasta unos 20 bares

para producciones mximas 20 Tn/hr.

Figura 2.2. Pasos de caldera piro tubular.

19

2.1.1 Caldera Tipo Locomvil.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido

calderas para traccin, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga

como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos

amovibles, preparada para quemar carbn o lignito. El humo, es decir los

gases de combustin caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su

calor al agua que rodea a esos tubos. La entrada de hombre, que se ve

abierta, es la base de la chimenea, es decir la caja de humos y en la parte

superior se encuentra la salida de vapor, figura 2.3.

Figura 2.3. Caldera tipo. Locomvil.

20

2.1.2. De Retorno Horizontal.

Son calderas de un bajo costo inicial y de simple construccin, muy

usadas en sistemas de calentamiento de edificios y produccin de vapor para

pequeas factoras.

Consisten de un casco cilndrico con gruesas paredes terminales

entre las cuales se encuentra soportado un gran nmero de tubos de 3" o 4"

de dimetro, aunque se pueden tener dimetros menores, esto da mayor

superficie de transferencia y por ende mayor generacin de vapor vista en la

figura 2.4.

Figura 2.4. Casco cilndrico de una caldera de retorno horizontal.

La caldera est suspendida sobre unos muros de ladrillo en un

horno. La parrilla o quemadores estn localizados directamente debajo de la

parte de enfrente del casco o tambor.

21

2.1.3. De Horno Interno.

Llamada tambin tipo escocs, la combustin tiene lugar en un

horno cilndrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera.

Los tubos de humo estn a lo largo del casco y envuelven al horno por los

lados y su parte superior figura 2.5.

Figura 2.5. Caldera piro tubular de horno interno.

Los gases que salen del horno cambian de direccin en una

cmara en el extremo y regresan, recorriendo completamente la unidad,

hasta una caja de humos localizada en el frente. Este tipo de caldera fue muy

utilizado en los barcos.

22

2.2. Calderas Acuatubulares.

Las calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del siglo

XVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseos de hoy da. Una caldera

acuatubular consta bsicamente de tambores y de tubos. Los tubos a travs de

los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado estn fuera de

los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que

pueden ser mucho ms pequeos en dimetro que el tambor de una caldera

piro tubular y pueden soportar mayores presiones. El costo inicial de una caldera

acuatubular es ms alto que el de una caldera piro tubular equivalente, sin

embargo, una mayor eficiencia compensar este costo inicial. La adicin de

algunos equipos destinados a la recuperacin de calor permitir la recuperacin

de los costos ms rpidamente. Las calderas Acuatubulares son de dos tipos:

De tubos horizontales rectos y de tubos doblados como lo muestra la figura 2.6.

Figura 2.6. Caldera acuatubular de tubos rectos horizontales.

23

Estn constituidas por bancos de tubos que por lo general estn en zg

zag con una inclinacin de 15 a 25 para favorecer la circulacin. Este tipo de

caldera fue muy popular entre 1920 y 1940 y era utilizado para producir vapor de

proceso y ocasionalmente generar calentamiento en edificios. Su produccin

estaba limitada a 10000 lbs/h por cada pie de ancho de la caldera. Sus

principales desventajas eran una limitada capacidad para una adecuada

separacin del vapor del agua a altas temperaturas de evaporacin y una pobre

distribucin de circulacin.

2.2.1. Caldera Acuatubular De Cornwall.

Las calderas Acuatubulares (el agua est dentro de los tubos) eran

usadas en centrales elctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un

menor dimetro y dimensiones totales una presin de trabajo mayor, para

accionar las mquinas a vapor de principios de siglo. En estas calderas, los tubos

longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefaccin, y

estn inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte ms

alta, provoque un ingreso natural del agua ms fra por la parte ms baja.

Originalmente estaban diseadas para quemar combustible slido ver figura 2.7.

Figura 2.7. Caldera acuatubular diseada para quemar combustible solido.

24

2.2.2. Caldera Acuatubular Steinmuller.

El Laboratorio de Mquinas Trmicas de la Escuela Industrial OTTO

KRAUSE tiene dos calderas de esta clase, gemelas, marca Steinmller, desde

1913, siendo el primer Laboratorio para prcticas con alumnos de Sudamrica.

Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados

sobre el hogar y un colector cilndrico grande encima, llamado domo o cuerpo

cilndrico, en donde se produce la separacin del agua y el vapor. Adems el

vapor que se obtiene puede ser hmedo o seco, hacindolo pasar por un sobre

calentador. La produccin de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora

cada una, a una presin de rgimen de 13 atm. Absolutas y 300 C de

temperatura. Desde su construccin estaban preparadas para quemar carbn,

pero en el ao 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos,

le incorpor sopladores y quemadores para combustibles lquidos como lo

muestra la figura 2.8. En general los tubos son la parte principal de la caldera, y

dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las vlvulas de

seguridad, termmetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc. A lo largo de los

ltimos 50 aos, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores

de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las

innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la

combustin, transmisin del calor, circulacin del agua y de la mezcla agua-vapor

y del acondicionamiento del agua de alimentacin.

Figura 2.8. Caldera acuatubular Steinmuller.

25

2.2.3. Caldera Belleville

Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaos,

disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas. La

caldera de la izquierda tiene un hogar con dos entradas para ingreso del

combustible slido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior,

con las vlvulas de seguridad incorporadas como se aprecia en la figura 2.9. Es

para una presin de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 C.

Figura 2.9. Caldera acuatubular Belleville.

2.2.4. Calderas De Tubos Doblados.

Este diseo ofrece mayor flexibilidad pues donde la altura libre es

limitada la caldera puede hacerse ancha y baja, o puede ser alta y estrecha en los

sitios donde la limitante sea la amplitud. Los principales elementos de una caldera

de este tipo son esencialmente drums o tambores conectados por tubos

doblados.

26

Las primeras unidades fueron de 4 tambores y, aunque este era un

diseo bastante aceptable, fue mejorado por el de 3 y ms tarde por el de 2

tambores como lo muestra la figura 2.10.

Figura 2.10. Unidades de 4 tambores.

Algunas ventajas que estas calderas muestran sobre las de tipo

horizontal son las siguientes:

Respuesta rpida a fluctuaciones de carga.

Gran economa en la fabricacin y operacin.

Mayor accesibilidad para limpieza y mantenimiento.

Produccin de un vapor de mejor calidad.

Capacidad para trabajar a temperaturas de evaporacin mucho ms

altas.

27

2.2.5. Calderas De Tubos Doblados Y Paredes De Agua.

Cuando se necesitaron calderas de mayor capacidad se hizo necesario

aumentar el tamao de los hornos lo que incremento la temperatura en ellos. Esto

trajo como consecuencia un excesivo mantenimiento en el refractario del horno,

especialmente cuando se quemaba carbn. Las ms altas temperaturas de gases

incrementaron el ensuciamiento de las superficies de transferencias. En sus

esfuerzos por producir calderas ms eficientes y econmicas los diseadores

desarrollaron un horno, virtualmente rodeado por una superficie de transferencia

en forma de paredes. Estas paredes estn constituidas por bancos de tubos y se

llaman paredes de agua o paredes de tubos de agua y adems de evitar las

excesivas temperaturas por ensuciamiento aumentan la capacidad de generacin.

A partir de la aparicin de las calderas con paredes de agua, los diseos se

estandarizaron en tres tipos bsicos: Calderas tipo A, tipo O y tipo D.

2.2.5.1. Calderas Tipo A.

Consisten de un tambor de vapor y dos tambores de lodos arreglados

de forma que asemejan una A con el tambor de vapor en el vrtice y los tambores

de lodos en el fondo como se aprecia en la figura 2.11.

Figura 2.11. Caldera tipo A.

28

2.2.5.2. Calderas Tipo O.

Constan de un tambor de vapor localizado directamente encima del

tambor de lodos pero ambos se encuentran en el centro de la caldera y los tubos

que los unen asemejan una O como se muestra en la figura 2.12.

Figura 2.12. Caldera tipo O. Figura 2.13. Caldera tipo D.

2.2.5.3. Calderas Tipo D.

El tambor de vapor est directamente encima del tambor de Iodos, pero

hacia un lado del horno y una serie de tubos une los tambores verticalmente. El

resto de tubos se extiende horizontalmente desde los tambores de vapor y lodos

hasta las paredes del horno donde se convierten en tubos de pared de agua como

se aprecia en la figura 2.13.

29

CAPITULO 3

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CALDERAS

Y PRODUCCIN DE VAPOR

3.1. Principio de funcionamiento segn James watt y Dionisio

Papn.

3.2. Calderas piro tubulares.

3.3. Calderas Acuatubulares.

30

3.1. Principio de funcionamiento segn James watt y

Dionisio Papn.

Figura 3.1. La ilustracin superior muestra la mquina de doble efecto donde Watt

perfeccion su invento.

Figura 3.2. Mquina de Papn, en que caldera, motor y condensador forman una

sola unidad. El fuego calienta el agua y el vapor mueve el pistn.

31

En 1764, james watt, recibe la mquina de Newcomen para su

reparacin, para el verano de 1765 haba hecho importantes modificaciones; hace

que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador, que conecta

con un tubo al cilindro al que es cerrado en ambos extremos. As se poda

mantener caliente el cilindro, ahorrndose una importante cantidad de

combustible como se aprecia en la figura 3.3.

Figura 3.3.Maquina de Newcomen modificada.

32

Figura 3.4. Invento de James Watt.

Figura 3.4. En 1784, James Watt inventa la biela y el cigeal para

transformar el vaivn de un pistn en un movimiento circular con la capacidad de

hacer girar una rueda, permitiendo as el movimiento. El coche a vapor es el

medio de transporte ideal durante la primera parte del siglo XIX cuando se crea la

lnea Londres-Birmingham facilitando este invento al comn de la gente.

33

3.2. Calderas piro tubulares.

El funcionamiento de estas calderas se da desde el momento en que el

combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisin de calor

por radiacin, y los gases resultantes, se les hace circular a travs de los tubos

que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de

calor por conduccin y conveccin. Segn sea una o varias las veces que los

gases pasan a travs del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios

pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos

solo atraviesan un determinado nmero de tubos, cosa que se logra mediante las

denominadas cmaras de humos. Una vez realizado el intercambio trmico, los

humos son expulsados al exterior a travs de la chimenea como se muestra en la

figura 3.5.

Figura 3.5. Los gases de combustin circulan por dentro de los tubos, y el agua

los rodea por fuera.

34

3.3. Calderas Acuatubulares.

En estas calderas su funcionamiento se da cuando el agua circula por

el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a travs del caldern que

constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente,

pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden

ser el sobre calentador, recalentador, economizador, en la figura 3.6. Se muestran

las partes de estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua,

tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustin

del combustible y constituyendo la zona de radiacin de la caldera.

En dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustin son

conducidos a travs del circuito de la caldera, configurado por paneles de tubos y

constituyendo la zona de conveccin de la caldera. Finalmente, los gases son

enviados a la atmsfera a travs de la chimenea.

Figura 3.6. Componentes de una caldera acuatubular, en los que el agua o

vapor circula por dentro de los tubos.

35

Las calderas Acuatubulares son aquellas en las que el agua circula por

el interior de los tubos. Estos tubos estn, generalmente conectados a dos

calderines. (Figura 3.7). El calderin superior de vapor, en el cual se produce la

separacin del vapor existente en el agua en circulacin, y el inferior de agua,

tambin conocido como calderin de lodos al depositarse estos en el.

Figura 3.8. Caldera equipada de elementos.

Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele

dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que

hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor,

aprovechando as mejor el calor sensible de dichos gases como se muestra en la

figura 3.8.

Figura 3.7. Calderin superior de vapor.

36

Calderas de vaporizacin instantnea.

Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de

vaporizacin instantnea, cuya representacin esquemtica podra ser la de un

tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en

forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente

pequeo en relacin a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la

caldera esta preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ah la

denominacin de calderas de vaporizacin instantnea. (Figura 3.9).

Figura 3.9.Caldera de vaporizacin instantnea.

Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es

prcticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre

calor aportado y el caudal de agua, dara lugar a obtener agua caliente o vapor

sobrecalentado, segn faltase calor o este fuese superior al requerido.

37

Generador de vapor rpido.

El funcionamiento del generador de vapor rpido est basado en el

principio de tubos de agua; el agua de alimentacin se calienta y vaporiza en un

solo circuito. En el modelo de tubos de agua sin cmara de vapor especfica el

volumen de agua requerido es bastante pequeo. El agua se vaporiza

rpidamente como se muestra en la figura 3.10.

Figura 3.10. Vista interior de un generador de vapor rpido.

38

CAPITULO 4

CALDERAS Y SUS COMPONENTES

4.1. Componentes principales.

4.2. Accesorios auxiliares.

4.3. Equipo para la combustin.

4.4. Sistemas de alimentacin del agua.

39

4.1. Componentes principales.

Figura 4.1. Descripcin de los componentes de una caldera piro tubular.

A.-Tubo can corrugado.

B.-Diseo wet-Back. (Pared hmeda).

C.-Registro pasa-hombre.

D.-Vlvulas de alivio en lado gases.

E.-Tapas delanteras y traseras sin refractarios.

F.-Domo de vapor amplio.

G.-Base de acero estructural.

H.-Quemador weis houpt.

Accesorios.

40

Cuerpo.

El cuerpo de una caldera esta compuesto de un cilindro de chapa de acero,

hermticamente cerrada con el objeto de almacenar agua y el vapor generado en

el proceso como se muestra en la figura 4.2.

Figura 4.2. Cuerpo de una caldera piro tubular.

Hogar.

El hogar es el espacio en donde se realiza la combustin. (Figura 4.3).

Figura 4.3. Vista de un hogar

41

Chimenea.

Es el elemento que se encarga de dirigir los gases de la

combustin como se muestra en la figura 4.4.

.

Figura 4.4. Donde se muestra una chimenea.

4.2. Accesorios auxiliares.

Son aparatos, instrumentos, conexiones y Aditamentos necesarios para

el funcionamiento correcto, adecuado y seguro de la caldera.

42

4.2.1. Accesorios de seguridad.

Reducen los riesgos en la operacin del equipo y dan confianza al

operativo al realizar su trabajo algunos de estos accesos son:

Vlvula de seguridad.

Dispositivo que descarga automticamente el exceso de presin, acta

por efecto de la presin esttica ejercida en contra de la vlvula y se caracteriza

por su rpida apertura total o sbito disparo como se muestra en la figura 4.5.

Figura 4.5. Dos vistas de una Vlvula de seguridad.

43

Detector de flama o fotocelda.

Principal control de seguridad de operacin del quemador.

Sin detectar la llama, automticamente e inmediatamente APAGA el quemador.

Mientras exista llama, mantiene operando el quemador.

Acta con la llama piloto para establecer la llama principal; 10 segundos despus

de la llama piloto, el quemador inicia la operacin normal.

15 segundo adicionales permiten detectar una mala combustin o combustin

errtica (figura 4.6).

Figura 4.6. Partes de una Fotocelda Ultravioleta.

44

Control de presin de seguridad o lmite.

- Dispositivo de control de presin que bloquea totalmente la operacin de la

caldera cuando la presin excede de la presin normal de operacin; por esta

razn es llamado control limite (figura 4.7).

- Preferible de tipo de re-set manual.

- Indispensable en toda caldera.

Figura 4.7. Partes de un control de presin.

45

Control auxiliar de bajo nivel de agua.

- Dispositivo opcional que evita problemas de falta de nivel de agua (figura 4.8).

- Cabezal McDonnell y Miller 150 de ampolleta, colocado en paralelo.

Figura 4.8. Vista de una columna de agua.

46

Alarmas.

- Dispositivo que anuncia una falla o corte de operacin por bajo nivel de agua,

falla en llama, falla del programador, etc.

- Tipo acstico: timbre o corneta.

- Tipo o visual: luz en tablero, tablero en remoto o foco local.

- Recomendable en toda caldera.

- Alerta al operador para tomar accin correctiva inmediata.

4.2.2. Accesorios de control.

Programador o control primario de llama.

-Maneja automticamente los ciclos on-off. (Figura 4.9).

Figura 4.9. Programador de una caldera.

47

Controles de presin y termostatos.

Elementos que censan y miden variables de presin o temperatura que permiten

fijar limites de operacin o de proceso.

Actan ampolletas de mercurio o MicroSwitch para abrir o cerrar un circuito

elctrico.

Algunos cierran cuando la presin aumenta, otros abren cuando la presin

aumenta o viceversa.

Se re-sestean automticamente o manualmente (figura 4.10).

Figura 4.10. Controles de presin montados en el cabezal de una caldera.

48

Solenoides o Electrovlvulas.

Vlvulas que accionadas elctricamente permiten cerrar o abrir el paso

de fluidos o gases para alimentar un sistema.

Apertura de llama piloto.

Apertura de llama principal.

Aire o vapor de atomizacin.

Aire pre y post-purga.

Agua de alimentacin.

Switches o contactores de baja presin.

Verifican la operacin del ventilador principal que genera el aire de

combustin.

Verifica la operacin del compresor que genera aire de atomizacin.

Sin aire de combustin (forzada) y aire de atomizacin, la combustin

no sera completa y podra provocar daos por explosiones.

49

Microswitch de seguridad.

Elementos auxiliares que evitan la operacin de la caldera, cuando

existan condiciones de inseguridad.

Ejemplo Cuando se quita la bayoneta para limpieza de boquillas.

Reset despus de un corte de energa.

4.2.3. Accesorios de operacin.

Facilitan la operacin y/o mejoran el funcionamiento del equipo.

Arrancadores.

Bombas de agua.

Quemador.

Ventilador.

4.2.4. Accesorios de medicin.

Manmetros.

Termmetros.

50

4.3. Equipo para la combustin.

Ventilador.

Modulador.

Control de combustible.

Quemador.

Figura 4.11. Partes de un equipo de combustin.

51

4.4. Sistema de alimentacin de agua.

Filtros de arena.

La filtracin de arena es frecuentemente usada y es un mtodo muy

robusto para eliminar los solidos suspendidos en el agua. El medio de filtracin

consiste en mltiples capas para arenas con variedad en el tamao y gravedad

especifica. Filtros de arena pueden ser suministrados para diferentes tamaos y

materiales ambas manos operan de totalmente de forma automtica. Ms

informacin sobre filtracin de arena como se muestra en la figura 4.12.

Figura 4.12. Vista exterior de los Filtros de arena.

52

Suavizadores.

Consiste en pasar el agua a travs de un lecho de material, llamado

RESINA, que posee la propiedad de remover el calcio y magnesio del agua y de

remplazar estos iones con sodio (figura 4.13).

Figura 4.13. Suavizador con sus accesorios.

53

Intercambiador de calor.

Es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que

se encuentran a temperaturas diferentes (figura 4.14).

Figura 4.14. Partes de un intercambiador de calor.

Desaereador.

Un desaereador es un equipo que remueve 02 (aire) de el agua de

alimentacin a calderas ya que el oxgeno es altamente corrosivo en los circuitos

de vapor.

Tanque acumulador.

Las calderas con un depsito de almacenamiento (acumulador de agua

caliente) son ms capaces de hacer frente a las demandas de uso mltiple y

puede suministrar agua a una temperatura alta y con un caudal muy alto. Tanques

sin ventilacin permiten presin de la red de suministro de agua, en lugar de

depender de la gravedad como los sistemas tradicionales de ventilacin abierta

hacerlo.

54

Bomba.

Es una mquina que nos permite transportar un fluido de un sitio a

otro, ya sea en un mismo nivel o a diferentes alturas.

Una bomba de agua de alimentacin de la caldera, es un tipo

especfico de la bomba, para bombear agua de alimentacin en una caldera de

vapor. Estas bombas son normalmente unidades de alta presin que tienen

aspiracin de un sistema de retorno de condensado y puede ser del tipo de

bomba centrfuga o de desplazamiento positivo como se muestra en la

figura 4.15.

Figura 4.15. Bomba centrifuga de varios impulsores.

55

Vlvula de retencin.

Se necesita en muchos servicios. Se usa como precaucin de

seguridad para evitar flujo inverso. O tambin para retener liquido en una tubera

cuando se para una bomba (figura 4.16).

Figura 4.16. Vlvula de retencin para lquidos.

56

CAPITULO 5

OPERACIN Y FUNCIONAMIENTO DE SUS

COMPONENTES

5.1. Descripcin del funcionamiento de cada componente.

5.2. Operacin correcta e incorrecta.

57

5.1. Descripcin del funcionamiento de cada

Componente.

Cuerpo.

El cuerpo de una caldera esta compuesto de un cuerpo cilndrico

horizontal de chapa de acero, hermticamente cerrada con el objeto de almacenar

agua y el vapor generado en el proceso, provisto de sus tapas colocadas

convenientemente que llevan el nombre de espejos y por colocacin delantero o

trasero. Al centro y en el tercio inferior se encuentra colocado un tubo de cierto

dimetro el cual es el hogar de la caldera misma. Rodeando el hogar y hasta el

segundo tercio. Se encuentran colocados en forma horizontal, de espejo a espejo,

los tubos o fluxes que conducirn los gases a lo largo de la caldera, los cuales

recorren a esta tres veces en toda su longitud antes de salir a la chimenea.

Convenientemente distribuidos en el cuerpo de la caldera, encontramos en la

parte inferior, orificios para:

a) Purga de fondo.

b) Purgas de superficie en los costados y en el tercio superior. Estos orificios

aparecen en las calderas de 100 HP o ms.

En la parte superior para la o las vlvulas de seguridad, la vlvula

general de vapor, conexin para la columna de agua y salida a la chimenea.

En los costados, en cualquiera de ellos, los orificios para la inyeccin

de agua mediante la bomba centrifuga o bien mediante el inyector de agua.

Los espejos tanto traseros como delanteros, se encuentran atirantados

en la parte superior con la placa de la evolvente.

58

El espejo delantero, tiene un orificio roscado a unos 3 cm arriba de la

ultima hilera de tubos en donde va insertado el tapn fusible, Tambin esta

provisto del numero necesario de registros pasa-mano y en tamaos mayores de

60 HP, de un registro pasa-hombre. Hasta aqu, se ha tratado de describir el

cuerpo de la caldera misma (figura 5.1).

Figura 5.1. Cuerpo de una caldera piro tubular.

59

Hogar.

El hogar o tubo can corrugado es el espacio donde se realiza la

combustin, conforme aumenta el dimetro de la caldera (tamao y capacidad),

aumenta el dimetro del hogar requerido para alojar la flama, as como la longitud

de la flama; al aumentar el dimetro y la longitud entre espejos del cuerpo de

presin, en funcin de la presin de operacin requerida de la caldera, aumenta el

espesor del tubo can liso. Al no tener algn medio para absorber las

expansiones y contracciones del material, se tiene que aumentar el espesor y de

esta forma obligar a los espejos a recibir la fatiga total, producto de las

contracciones y expansiones del tubo can liso. A principios de siglo, en Europa,

se logra fabricar el tubo corrugado, dando de esta forma paso al descubrimiento

ms relevante en la fabricacin de calderas. El tubo can corrugado absorbe las

expansiones y dilataciones del acero, evitando fatigas con tendencias a rupturas

en los espejos del cuerpo de presin. De esta forma se logra la elasticidad

necesaria para asegurar una larga vida del cuerpo de presin, el hogar o tubo

corrugado en caliente esta fabricado en placa A-285-C (figura 5.2).

Figura 5.2. Parte de un hogar o tubo corrugado.

60

Chimenea.

Es el elemento que se encarga de dirigir los gases de la combustin

hacia un lugar seguro como se muestra en la figura 5.3.

A esto se le conoce con el nombre de tiro.

Tiro.- Es la forma como vamos a desalojar los gases que son producto

de la combustin.

Existen tres tipos de tiro:

Tiro Natural.- Es la diferencia de presiones originadas por la altura de

la chimenea y la mayor temperatura de los gases de combustin, con respecto al

medio ambiente, dando como resultado una corriente de aire de la cmara de

combustin hacia fuera pasando por la chimenea. Por esta diferencia de presin y

temperatura los gases de combustin salen prcticamente solos.

Tiro forzado.- Con este tipo se introduce aire a presin a la cmara de

combustin con la ayuda de un ventilador, esta misma presin generada por el

ventilador empuja los gases de la combustin hacia afuera pasando por la

chimenea.

Tiro inducido.- En este tiro existe un extractor instalado en la

chimenea, que se encarga de succionar los gases de la combustin por medio de

la chimenea.

El fabricante determina el dimetro de la chimenea. No es

recomendable disminuir o aumentar este dimetro.

La altura de la chimenea depender de las condiciones de la

instalacin. La norma local dice: No menor de tres metros arriba de la altura

mayor de los edificios que la circundan en un permetro de 25 mts, entre el centro

de trabajo y poblaciones o habitaciones vecinas.

61

Como regla de dedo, no exceder de 15 pies (5 mts aprox.) por cada

pulgada de dimetro de la chimenea.

En dimetros mayores, cuando la chimenea sea ms alta que 50 mts,

deber ser instalado un dmper baromtrico, para evitar el efecto de succin.

Evitar tramos horizontales, codos o mltiples desviaciones.

Figura 5.3. Chimenea instalada en una caldera piro tubular.

62

5.1.2. Accesorios auxiliares.

Son aparatos, instrumentos, conexiones y aditamentos necesarios para

el funcionamiento correcto, adecuado y seguro de la caldera.

5.1.2.1. Accesorios de seguridad.

Vlvula de seguridad.- Dispositivo que descarga automticamente el

exceso de presin, acta por efecto de la presin esttica ejercida en contra de la

vlvula y su apertura se realiza en proporcin al incremento de presin sobre la

presin de apertura y su funcionamiento es el siguiente.

Cuando la vlvula de seguridad esta cerrada durante la operacin

normal de la caldera la presin acta sobre el disco, esta fuerza es contrarrestada

por la fuerza de un resorte que mantiene cerrada la vlvula. Cuando por alguna

circunstancia la presin dentro del recipiente se incrementa hasta llegar a una

presin que ejerza sobre el disco una fuerza superior a la tensin del resorte la

vlvula automticamente descargara esta sobre presin, no excede el 1 a 3 % de

la presin de ajuste el fluido comienza a escapar hacia un orificio anular debido a

que se abre un diminuto pasaje entre el disco y el asiento de la vlvula, este flujo

es restringido en el orificio que tiene un rea de desfogue muy pequeo lo que

ocasiona que se incremente la presin y con ello aumente la fuerza que acta

sobre el resorte hasta vencerlo y disparar la vlvula.

Al abrir la vlvula se produce un nuevo incremento en la presin debido

al gran aumento de flujo y la restriccin de este a travs de un segundo orificio

formado por el extremo de los labios del porta disco y el dimetro exterior del

anillo regulador. Aunado a lo anterior el cambio brusco que sufre el flujo en un

espacio tan reducido aproximadamente 180 llevan a la vlvula a su mxima

abertura y la mantienen as hasta restablecer las condiciones originales de

operacin.

63

Debido a que este elemento representa el ltimo recurso en caso de

emergencia se hace necesario que la STPS tenga perfectamente registrada y

verificada esta vlvula. El nico tipo de vlvula de seguridad que es aceptado por

la STPS es la vlvula de resorte de carga directa, y por lo menos debe haber una

en cada recipiente sujeto a presin. La conexin debe de ser lo ms cercana al

recipiente y no debe de haber vlvulas de por medio entre la vlvula de seguridad

y el recipiente como se aprecia en la figura 5.4.

Los tubos de descarga deben de tener drenaje y si hay codos fijarlos.

Si hay silenciador, el rea debe ser amplia para que no exista contra presin.

Existen tres fallas comunes en las vlvulas de seguridad.

La vlvula abre y cierra con frecuencia.

Se queda pegada por acumulacin de sales.

Fuga de vapor por asientos daados.

Figura 5.4.Valvulas de seguridad colocadas en una caldera piro tubular.

64

Detector de flama o fotocelda.

Principal control de seguridad de operacin del quemador.

Requisitos para un buen funcionamiento de detector de llama.

Detector debe tener una buena vista de la llama.

El detector no debe ver la chispa de ignicin.

El detector debe estar protegido de altas temperaturas.

Detectores deben ser instalados y conectados correctamente.

Como se muestra en la figura 5.5.

Figura 5.5. Vista funcionamiento de una fotocelda.

65

Control de presin de seguridad o lmite.

Controles de presin.- los controles de presin normalmente conocidos

como presostatos o presuretroles.

Tipo mercoid o de capsula.- este tipo es el de mayor utilizacin y su

funcin es el de establecer un limite mximo para la presin de operacin de la

caldera la cual debe ser menor a la calibracin de la vlvula de seguridad.

Cuando la caldera alcanza la presin de calibracin del presostato este

se activa mandando una seal al programador para que interrumpa la seal

elctrica y apague la caldera.

Este aviso se da por medio de un diafragma que acciona un

mecanismo de resorte y palanca que acciona un mecanismo de resorte y palanca

que mueve una capsula de mercurio, esta capsula es una ampolleta de vidrio que

en las puntas lleva incrustado un par de electrodos los cuales hacen contacto al

balancearse esta a travs de una gota de mercurio encerrada en el interior. En

este instrumento se puede establecer las presiones de paro y arranque

automtico del equipo calibradas a travs de un par de escalas, una principal

donde se registra la presin limite de operacin de la caldera y una diferencial que

representa la diferencia entre el paro y arranque de la caldera y su ajuste es por

medio de un par de tornillos en la parte superior del presostato (figura 5.6).

Presuretrol control de presin.

Honeywell L-404.

Nos permite controlar la presin de paro y arranque de la caldera.

Honeywell L-404C.

Funciona como control de SEGURIDAD, fijando la presin limite.

66

Bloquea toda operacin y tiene reset manual.

Honeywell L-91A-B.

Permite la operacin modulada de llama a travs de un potencimetro.

Figura 5.6. Presostatos de seguridad.

67

Control auxiliar de bajo nivel de agua.

Columna de agua.

Es un dispositivo de seguridad que nos ayuda a controlar la cantidad

de agua que tenemos dentro de la caldera, es un accesorio que se compone de

un cuerpo de hierro fundido que se monta a un costado de la caldera y que se

conecta a la misma por medio de una tubera de 1 Que lo alimenta de vapor por

la parte de arriba como de agua por la parte de abajo, cuenta con una mirilla que

es donde nosotros podemos verificar el nivel de agua dentro de la caldera.

Esta columna cuenta con un flotador que tiene un desplazamiento

hacia arriba y hacia abajo, segn el nivel que acciona un mecanismo por medio

de una varilla, esta varilla mueve un fuelle que tiene montada una capsula de

mercurio con platinos o electrodos incrustados en su extremos y que hacen

contacto de acuerdo al balanceo de la capsula de mercurio.

Cuando esta capsula se acciona por bajo nivel de agua la nica forma

de restablecerlo es por medio manual (figura 5.7).

Figura 5.7. Columna de agua.

68

Esta columna bsicamente cumple tres funciones que son:

Verificacin visual del nivel de agua dentro de la caldera, se realiza por

medio de cristal indicador y el nivel que se debe tomar es 2 por arriba de la

tuerca de fijacin de cristal, a este nivel la bomba de alimentacin de agua a la

caldera debe de detener su operacin. Control de suministro de agua. Controla el

suministro del agua dependiendo el nivel al llegar el nivel de agua de cristal a una

altura de 1 por encima de la tuerca de fijacin del cristal, la bomba se

accionara por medio de una seal que se enviara la capsula de mercurio como se

muestra en la figura 5.8.

Corte por bajo nivel de agua. Paro por bajo nivel de agua, lo realiza por

medio de la capsula de mercurio que tiene tres hilos desconectando

automticamente el quemador de la caldera al llegar a una altura de 1 por

encima de la tuerca de fijacin del cristal. Al desconectar el quemador acciona

una alarma lo cual nos indica que la caldera paro por bajo nivel de agua y la

nica forma de volver a activar la caldera es realizando un reset manualmente.

(Figura 5.9).

Figura 5.8. Vista de las capsulas de mercurio en la columna de agua.

69

A-Nivel normal del agua: la bomba de agua para en este punto.

B-La bomba arranca cuando el agua alcanza este nivel, la distancia entre A-B

es aprox. 3/4 .

C-Corte de bajo nivel de agua, el quemador se dispara cuando el agua baja a

este punto.

D-Primer punto visible en el visor de nivel.

.

Figura 5.9. Vista de los diferentes puntos de los niveles del agua.

70

5.1.2.2. Accesorios de control.

Control programador e interruptor de seguridad de flama. En

coordinacin con la fotocelda, controla la flama del piloto y la vlvula principal,

evitando la apertura de la vlvula principal del combustible hasta que se pruebe

que el piloto esta funcionando; dejando sin energa la vlvula principal al abrir el

circuito en caso de falla de flama durante la operacin de la caldera.

Este control tambin regula el tiempo y la secuencia de la operacin

programada.

El programador LFL1.322 se utiliza para el mando y control de

quemadores modulantes o con varias marchas.

Condiciones para el arranque del quemador.

Programador desenclavado.

Clapeta de cerrada. El interruptor de fin de carrera para la posicin

CERRADO.

El de las vlvulas de combustible u otros contactos con funciones

similares deben estar cerrados.

El contacto en reposo del presostacto de aire.

Los contactos del presostato de gas o termostato tambin tienen que

estar cerrados.

Smbolos del indicador de posicin de avera. (Figura 5.10).

Bsicamente, en caso de avera se interrumpe inmediatamente la

alimentacin de combustible. Al mismo tiempo, se para el ciclo de programacin

y, en consecuencia, tambin el indicador de posicin de averas. El smbolo que

71

se halla sobre la leyenda del indicador denota en cada momento el tipo de

averas.

No hay arranque hay un contacto que no esta cerrado del

interruptor fin de carrera auxiliar.

Interrupcin del funcionamiento, porque falta en el borne 8 la

seal de ABIERTO del interruptor fin de carrera.

P Parada por avera, al no existir seal alguna de presin de aire al

comenzar el control de la presin de aire. La falta de presin de aire despus de

este momento conduce asimismo a una parada por avera.

Parada por avera como consecuencia de un defecto en el control

de la llama.

Interrupcin del funcionamiento al faltar en el borne 8 la seal de

posicin del interruptor auxiliar para la posicin de encendido.

1 Parada por avera, al no existir seal alguna de llama una vez

transcurrido el tiempo de seguridad (1) Todo fallo de la seal de la llama despus

de transcurrido el tiempo de seguridad (1) conduce igualmente a una parada por

avera.

2 Parada por avera por fallo de la seal de llama despus de

pasado el tiempo de seguridad (2) (seal de llama de la llama principal en los

quemadores con vlvula de encendido).

Parada por avera, porque la seal de llama ha desaparecido

durante el funcionamiento del quemador o por aparecer una falta de presin del

aire.

72

Parada por avera en el desarrollo del programa de control, como

consecuencia de luz extraa (llama sin apagar, vlvulas de combustible no

estancas) o debido a una seal de llama defectuosa (tubos UV desgastados fallo

en el circuito de control de flama, o similares).

Si la parada por avera se produce en cualquier otro momento no

sealado por ninguno de los smbolos indicados entre el arranque y el

preencendido, la causa ser normalmente una seal de llama defectuosa.

a-b Programa de puesta en marcha.

b-b` Para algunas variantes de tiempo:

Pasos en vaco del programa hasta la autorrecuperacion, tras la puesta

en marcha del quemador.

b(b`)-a Programa de postbarrido, despus de la desconexin del

regulador. En la posicin de arranque a, el programa se desconecta

automticamente o provoca la puesta en marcha del quemador inmediatamente.

Duracin del tiempo de seguridad en los quemadores de 1 llama.

Duracin de los tiempos de seguridad en los quemadores con

vlvula de gas de encendido.

Figura 5.10. Smbolos de indicacin de fallas.

73

Solenoide o electrovlvulas.

Vlvulas que accionadas elctricamente permiten cerrar o abrir el paso

de fluidos o gases para alimentar un sistema. Electrovlvula doble tipo DMV.

Dos electrovlvulas de una marcha, sin corriente, cerradas. De

apertura y cierre rpido, con posibilidad de limitacin manual de caudal de gas,

mediante ajuste del caudal principal V1. (Figura 5.11).

Datos tcnicos:

Presin mxima de trabajo: 500 mbar.

Tensin/Frecuencia: 110V 50/60 Hz.

Temperatura ambiente: -15 a +60C.

Posicin de colocacin: Bobina vertical hasta horizontal.

Figura 5.11. Electrovlvula doble.

Leyenda

1 presin delante v1, 2 presin entre v1 y v2, 3 presin detrs de v2,

4 conexiones brinda de entrada, 5 conexin brinda de salida.

74

Switches o contactores de baja presin.

Sin aire de combustin (forzada) y aire de atomizacin, la combustin

no seria completa y podra provocar daos por explosiones.

Presostato de aire tiene un pulsador de prueba para la comprobacin

manual, el cual interrumpe la presin de aire. Esta comprobacin es posible solo

cuando la clapeta de aire esta abierta.

Antes del arranque del quemador se comprueba automticamente el

funcionamiento del presostato de aire. No es necesario realizar un control manual

de la funcin de conexin a la recepcin de la conexin a la recepcin de la

instalacin. El control automtico del presostato de aire, y el encendido solo se

produce cuando se conecta el presostato de aire al comienzo del barrido.

(Figura 5.12).

Figura 5.12. Presostato de aire.

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Funcionamiento del presostato.

Motor del quemador en marcha, clapeta de aire abierta.

Cuando arranca el motor del quemador, la presin de la soplante

conecta el presostato.

Cuando la clapeta de aire esta cerrada, la presin de la soplante es tan

baja, que la funcin de conmutacin del presostato de aire no puede asegurarse.

(Figura 5.13).

Figura 5.13. Presostato de aire no puede asegurarse.

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Motor del quemador en marcha, clapeta de aire cerrada.

Por ello, el presostato esta conectado en la parte de la presin y de la

aspiracin. Esta conexin garantiza, incluso estando la clapeta de aire cerrada y

con un tiro muy fuerte en la cmara de combustin plenamente fiable del

presostato. (Figura 5.14).

Figura 5.14. Presostato en posicin de conectado.

Motor del quemador desconectado. (Figura 5.15).

Figura 5.15. Motor del quemador en posicin de desconectado.

77

5.1.2.3. Accesorios de operacin.

Equipo para la combustin.

Unidad de combustin o quemador tipo paquete de importacin.

El quemador es tipo can de unidad compacta pre ensamblada.

Controles de uso comn para este tipo de caldera.

Motor del ventilador de tiro forzado: Acciona al ventilador y proporciona

el aire para la combustin.

Arrancador del motor del ventilador.

Rotor del ventilador de tiro forzado: Proporciona el aire a una

determinada presin para la combustin de la flama piloto y de la flama principal,

as como para la purga del tubo can.

Transformador de ignicin: Suministra chispa con alto voltaje para la

ignicin.

Switch de dos posiciones (QUEMADOR) para:

Encendido de la unidad de combustin. Para encendido y apagado de

la unidad.

Luces piloto en el tablero: Estas luces nos indican visualmente

informacin sobre la operacin de la caldera: Ciclo de ignicin, vlvulas de

combustible, falla de flama y bajo nivel de agua.

Control de flama programador: Programa automticamente el arranque,

la operacin y el apagado, con periodos prefijados con el sistema de operacin de

la caldera interconecta. Incluye una secuencia de tiempo para la operacin del

78

ventilador, el sistema de ignicin y la apertura de cierre de las vlvulas de

combustible. (Figura 5.16).

ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO PARA GAS.

Figura 5.16. Descripcin del esquema del funcionamiento de gas.

Leyenda.

1 Vlvula principal de paso.

2 Filtro de gas.

3 Reguladora de presin de ajuste fino (baja presin).

4 Control de presin de gas.

4a Control de presin de gas mximo (opcional).

5 Conjunto de doble vlvula magntica integral.

5b Solenoide para encendido.

6 Moduladora de gas.

7 Manmetro.

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Sistemas de alimentacin del agua.

El agua de su caldera.

La calidad del agua de su caldera y por lo tanto el cuidado de la misma,

son de suma importancia en la vida de su caldera. El agua de la caldera es igual

de importante que la sangre en el cuerpo humano si no tenemos el cuidado de la

misma y se generan incrustaciones, tendremos como consecuencia, un derrame

cerebral o un paro cardiaco o la muerte.

Todas las aguas con las que alimentamos a las calderas, contienen

ciertas impurezas como minerales y sales. Al generar vapor, el cual sale de las

calderas sin estas impurezas, se quedan dentro de la caldera, generando

incrustaciones comnmente llamadas sarro.

Estas incrustaciones tambin llamadas sarro, son sumamente dainas

para la caldera ya que al incrustarse en las superficies de transferencia de calor,

eliminan dicha transferencia causando daos fatales al caldera: Las reas de

transferencia de calor son el hogar, el wet back y los tubos flux, fabricados en

acero, transfieren el calor de la flama y de los gases de combustin hacia el agua

dentro de la caldera, llevando a cabo la transferencia de calor. En este proceso, el

agua de la caldera enfra al acero de estas reas para que no se eleve a

temperaturas superiores a los 100C sobre la temperatura del agua de la caldera.

El sarro o material incrustante, formado por sales (silicatos), es un material

aislante excelente que no permite el flujo de calor y por lo tanto no permite el

enfriamiento necesario del acero. Cuando esto no sucede, las reas de

transferencia de calor fabricadas e acero, estn en peligro ya que, pueden llegar a

fisurarse, picarse o en el peor de los casos, hasta reventarse por el exceso de

calor sobre esta rea y la falta del medio enfriante (agua) para llevar a cabo el

enfriamiento del acero.

80

Adicionalmente, las aguas que entran a la caldera, tienden en general a

volverse acidas y por lo tanto corrosivas.

Por lo anterior, la caldera requiere de un extremo cuidado en la calidad

del agua de alimentacin.

Tratamiento de agua.

Un tratamiento de agua adecuado en el agua de alimentacin, es

elemental para la eficiencia, el bajo costo de mantenimiento y operacin de una

caldera. El fabricante recomienda hacer pruebas mltiples del agua de

alimentacin antes de instalar la caldera para que en base a un anlisis qumico,

se puede recetar el tratamiento adecuado o el equipo necesario para la buena

operacin de la caldera.

Este anlisis, as como la recomendacin de un tratamiento de agua o

equipo a ser empleado, deber ser seguido al pie de la letra previniendo la

presencia de solidos no deseables, as como gases corrosivos en el agua de

alimentacin. Los objetivos principales de un tratamiento de agua, son los

siguientes:

Prevenir las incrustaciones as como depsitos de masas o soluciones

acuosas en las reas de transferencia de calor, los cuales evitaran el flujo de

transferencia de calor llegando a sobrecalentar el material (metal), lo cual a la

larga, causara serios daos costosos en reparaciones y en tiempos de operacin,

por paros necesarios.

Eliminacin de gases corrosivos en el agua de alimentacin.

Prevencin de fracturas intercristalinas o de fragilidad caustica del

metal del cuerpo de presin.

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Prevencin de contaminantes del agua como espumas o algn tipo de

aceite u otros.

Para cumplir con los puntos mencionados anteriormente, normalmente

se requiere de un tratamiento en la alimentacin de agua antes de introducir el

agua de la caldera. La seleccin del tratamiento o el proceso para el tratamiento

de agua, depende de la fuente de agua y sus anlisis qumicos.

Sistemas de generacin de vapor.

El agua en sistemas de vapor.

Las calderas son equipos que convierten el agua liquida en vapor,

transfiriendo el calor liberando en un proceso de combustin al agua.

Las calderas reciben agua de alimentacin, la cual es constituida por

una proporcin variable de agua condensada y agua reposicin.

Cuando el agua se evapora, las impurezas que contienen se

concentran progresivamente en el agua liquida que permanece en la caldera.

Para controlar la concentracin de estas sustancias, parte del agua de

la caldera se purga y se remplaza por agua de alimentacin con un menor

contenido de impurezas.

Propiedades del agua.

El agua es un compuesto qumico sencillo que posee una serie de

propiedades fsicas y qumicas que la hacen una de las sustancias ms

importantes para toda forma de vida en el planeta.

Dentro de las propiedades ms importantes del agua estn:

Capacidad para disolver sustancias con las que entra en contacto.

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Capacidad de absorcin de energa calorfica.

Impurezas del agua.

El agua, debido a su alto poder disolvente, puede contener distintos

tipos de impurezas, las cuales se pueden clasificar en tres grupos:

Solidos disueltos.

Gases disueltos.

Materia suspendida.

Sustancias disueltas en el agua.

Solidos disueltos.

CATIONES ANIONES

SODIO (Na+) CLORURO (C l -)

CALCIO (Ca 2+) BICARBONATO (HCO3-)

MAGNESIO (Mg 2+) CARBONATO (CO3 2-)

FERROSO (Fe 2+) SULFATO (SO4 2-)

GASES DISUELTOS

OXIGENO O2 DIOXIDO DE CARBONO CO2

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Problemas ocasionados por las impurezas del agua en la

generacin de vapor.

Incrustacin y depsitos de lodos.

Corrosin.

Por acidez en tuberas de vapor y condensado.

Por oxgeno disuelto.

Contaminacin del vapor.

Fragilizacion caustica del acero.

Problemas asociados al agua en sistemas de vapor.

Cuando el agua recibe calor, los bicarbonatos disueltos en ella se

descomponen de acuerdo a la siguiente reaccin:

Incrustacin.

Es un recubrimiento denso, principalmente de material inorgnico,

formado por la precipitacin de constituyentes insoluble en el agua.

Dado que las sales minerales disueltas y los solidos en suspensin no

son voltiles, al evaporarse el agua se concentraran en el agua de las calderas,

formando depsitos en las tuberas, domos, vlvulas, etc.

84

Comparacin entre caldera limpia (figura 5.17) y caldera con

incrustacin (figura 5.18).

Figura 5.17. Vista interior de una caldera limpia de incrustaciones.

Figura 5.18. Vista interior de una caldera con incrustaciones.

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Corrosin.

Figura 5.19. Metal con corrosin.

Es la cualidad que tienen los metales procesados de volver a su estado

natural, es decir, a la forma de xido. (Figura 5.19).

Tipos de corrosin comunes en sistemas de vapor:

Corrosin por oxgeno disuelto.

Corrosin en las lneas de condensado.

Corrosin por acidez.

Corrosin caustica.

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Corrosin por oxigeno disuelto.

El oxgeno es un gas altamente reactivo, cuando esta disuelto en el

agua de los sistemas de vapor, reacciona produciendo picaduras a los metales.

(Figura 5.20).

Figura 5.20. Placa con picaduras por corrosin.

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Corrosin en las lneas de vapor y condensado.

Figura 5.21. Corrosin en lneas de vapor y condensados.

Es ocasionado por el dixido de carbono (CO2) formando en la

descomposicin de los bicarbonatos presentes en el agua de relleno.

El dixido de carbono disuelto en agua forma acido carbnico, el

cual ataca el metal (figura 5.21).

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Prevencin de problemas asociados al agua.

Tratamiento externo, consiste en adecuar el agua antes de ser

utilizada.

Tratamiento interno, consiste el acontecimiento del agua dentro de los

sistemas.

Control de parmetros del agua en las distintas reas del sistema de

vapor.

Control de formacin de depsitos.

Precipitacin de fosfatos.

Solubilizacion con quelantes.

Dispersin con polmeros.

Fosfatos.

Actan precipitando la dureza (calcio y magnesio) produciendo lodos,

que deben ser removidos por las purgas.

Desventajas:

Mantener alcalinidad controlada.

Purgado excesivo.

Limpiezas ms frecuentes.

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Quelantes.

Actan formando un compuesto soluble con la dureza del agua.

Pueden ayudar a la limpieza de calderas incrustadas. Tratamientos largos con

quelantes pueden ocasionar corrosin.

Polmeros.

Son compuestos orgnicos de peso molecular formados por bloques

elementales llamados monmeros, repetidos en cadenas largas.

Como funcionan los polmeros.

Inhiben el crecimiento de la estructura de los cristales.

Penetran en las incrustaciones, rompiendo su estructura.

Modifican la estructura de los cristales, resultando en la formacin de

pequeas partculas.

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Los mtodos para el tratamiento incluyen: filtrado, suavizado,

deareado y precalenta