practica n° 07

QUIMICA ANALITICA CUANTITATIVA

1. INTRODUCCIÓN

El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial,

principalmente en el calentamiento de procesos, en la generación de

potencia y en la calefacción de espacios.

El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata;

es limpio, inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control;

cuando se condensa, da un calor a temperatura constante; tiene un alto

contenido energético; puede usarse para generar potencia y proporcionar

calefacción.

El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones

siguientes: Vapor húmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado.

En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas

más representativas en el medio industrial entre las que se encuentran el

piro tubular y las acuotubulares. También se describen los principales

sistemas de control que deben tener los generadores de vapor.

UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION ESCUELA DE METALURGIA


2. OBJETIVOS

El objeto es el de establecer criterios básicos de diseño de un

caldero.



3.1 CALDERA

Una caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce

vapor a una presión mayor que la atmosférica. A la máquina le entra

una energía (aire–combustible) la cual se transfiere a una sustancia de

trabajo (frecuentemente agua) efectuándose el proceso de evaporación,

cuyo mecanismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera.

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

3.1.1 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. Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de

3.1.2 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.

3.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Por la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican

generalmente, como calderas de tubos de humo (pirotubulares) o de

tubos de agua (acuotubulares).

3.2.1 CALDERAS PIROTUBULARES

En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a

través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los

bancos de tubos.



Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su

diseño, mayor flexibilidad de operación, menores exigencias de

pureza en el agua de alimentación, son pequeñas y eficientes.

Desventajas: Mayor tiempo para subir presión y entrar en

funcionamiento, no se deben usar para altas presiones.

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

calefacción, se distinguen Las calderas pirotubulares o de

depósito como también se llaman, generalmente son de forma

cilíndrica y tienen una cámara de combustión con una relación

mínima entre la longitud y el diámetro de 3:1 (SAXON, 2006).

Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en

el calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y

comerciales. (KOHAN, 2000)

Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de

múltiples pasos.

3.2.2 Calderas pirotubulares de un paso. Estas calderas tienen un

conjunto de tubos de humo que las atraviesan desde el principio

hasta el final, con los quemadores al principio y la chimenea al

final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser colocados en la

cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los

quemadores van montados dentro de cada tubo y normalmente en

las calderas horizontales el tiro es forzado y en las verticales el

tiro es natural.

Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen

una producción de vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las

calderas verticales son comúnmente usadas para tintorería y en la

fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006).



3.2.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES

En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a

los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos

tubos. Manejan presiones de operación de 0-150 bares (0-2200

PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 5.

Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan

a 300 PSI o más.

Desventajas: Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser

alimentada con agua de gran pureza.

Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la

generación de energía en la industria. Los gases calientes de los

quemadores pasan alrededor de los bancos de tubos verticales

que contienen el agua. Las calderas son de forma rectangular y

los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte

inferior y a un colector de vapor en la parte superior.

Normalmente hay un sobre calentador por encima de la cámara

principal de combustión. Los productos son por lo general por

encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las

calderas trabajan con carbón pulverizado o petróleo. Algunas han

sido convertidas a gas, también pueden trabajar con dos

quemadores de combustible.

3.2.3 CALDERAS DE TIPO SERPENTÍN

Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua

contenida en un conjunto de serpentines. La llama del quemador

va por el interior y centro del serpentín, los productos pasan

alrededor de las capas externas de los serpentines, figura 6. Estas

calderas se denominan a veces generadores de vapor o

vaporizadores de vapor.



Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas

cantidades de vapor rápidamente, en menos de 5 minutos. Se

debe tener cuidado con el tratamiento de las aguas, por lo general

es a base de sodio en combinación con aditivos químicos es todo

lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas

de alimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h

hasta aproximadamente 9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan

quemadores de gas o de petróleo.

3.2.4 OTRAS CALDERAS

Además de las calderas descritas, también existen las calderas de

gas que se utilizan para proporcionar vapor húmedo para

panadería, hornos de pastelería. Estas calderas son pequeñas y las

presiones de trabajo son del orden de los 2 bares.

3.3 NORMAS DE DISEÑO

La American Society of the Metal and Electricity (ASME) comenzó a

crear códigos para utilizar en el diseño y control de los recipientes que

trabajan a presión.

La ASME VIII Div. 1, es la parte encargada de diseño, tiene distintas

partes que comprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas,

conexiones, etc.

Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a

nivel mundial, aunque existe otras normas como: Norma

Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equipos

este certificada en cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante

usa alguna de estas normas para la fabricación y montaje.

3.4 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.

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 presos tato.

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. En la figura 10 se muestra un tipo de control

por flotador. En esta se observa como una combinación de fuerzas

entre el brazo del flotador y un 12 fuelle permite controlar el motor

de la bomba y también operar la válvula de gas por medio del presos

tato. El suiche de mercurio se inclina y acciona un contacto antes de

que el agua llegue a su nivel más bajo y así acciona una alarma. Por



otro lado el suiche de la bomba debe abrirse justo antes de que el

agua llegue al nivel más alto.

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 termopila 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 des energiza. Como este dispositivo esta en serie con

la válvula solenoide, esta impide el paso de gas.

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,

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.

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, figura 14. Dispone de

válvula de vapor, válvula de agua y una válvula de drenaje.

Inyector: Es un dispositivo que alimenta el agua hacia la caldera por

medio de la succión creada cuando el vapor pasa a través de una

boquilla. El sistema se pone en operación abriendo la válvula cheque

de alimentación, la válvula de succión y luego la válvula del inyector

de vapor en forma rápida y completa. Luego de que el inyector se

coloca en funcionamiento este puede ser controlado solamente por la

válvula de vapor,

Control automático de alimentación: Este puede formar parte del

control de bajo nivel del que se ha hablado.

Bomba de alimentación: Puede ser operada manualmente o por

medio de un control eléctrico tal como se muestra en la figura 16. En

este último caso el control de nivel de agua se debe ajustar para

mantener el nivel en la mitad del medidor de vidrio.

3.5 INSTALACIÓN

Se debe consultar el manual de instalación de la caldera antes de hacer

algún trabajo.

La caldera debe ser montada en un espacio nivelado y firme. Se debe

dejar un espacio adecuado para la manipulación cómoda de todos los

equipos auxiliares.

La chimenea debe estar fijada con un diverso de tiro. El diverso de tiro

facilita la circulación de gases dentro de la cámara de combustión al

establecer un equilibrio de fuerzas entre los humos calientes y el aire,

facilitando así la circulación de los humos y evitando contrapresiones

ocasionadas por corrientes de viento contrarias al flujo de los gases

(Ministery of Economic Development of New Zealand, 2007)



3.6 INSPECCIONES

Periódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema

de drenaje, presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo

de gas, pérdidas de corrientes de aire en la chimenea, operación del

control de llama y válvula de corte 17, por baja presión. Además se

debe realizar un mantenimiento rutinario que incluya la presión de

trabajo de la caldera y el sistema que mantiene el nivel del agua.

3.7 QUEMADORES Y SUMINISTRO DE AIRE DE COMBUSTION

Los quemadores se seleccionan según el rango de presión de operación,

tipo de combustible, eficiencia. Además se deben tener en cuenta las

normas de construcción.

Entre los principales tipos de quemadores encontramos: quemadores

sin mezcla previa o llama de difusión, quemadores de combustóleo,

quemadores a presión tipo JET, quemadores de copa rotativa,

quemadores para gas (baja y alta presión) y quemadores tipo dual.

Los quemadores deben funcionar con un exceso de aire que depende

del combustible empleado. Para el carbón se debe emplear un exceso de

aire que oscila entre el 20% y el 40%, los derivados del petróleo entre

un 15% y 25% y el gas entre el 5% y el 15%.



4. CONCLUSIONES

El vapor es muy usado en el sector industrial, comercial y de salud,

especialmente para el calentamiento de procesos, en la generación de

potencia, generación de energía, en la calefacción de espacios y para

la esterilización de instrumental quirúrgico.

Las calderas se clasifican principalmente en dos clases: piro

tubulares, cuando los humos calientes circulan por tubos y el agua se

encuentra alrededor de estos y acuotubulares, cuando el agua circula

por tubos y los humos calientes están alrededor de estos.



5. ANEXOS


practica n° 07

Documents