control automatico de una caldera
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Control automatico de una caldera
El sistema de control de una caldera es la herramienta mediante la cual se consiguen los equilibrios de masa
y de energía de la misma ante las variaciones en la demanda de los consumidores. La energía y la masa
introducidas en la caldera deben ser reguladas para conseguir las condiciones de salida deseadas. Las
medidas de las variables del proceso darán al sistema la información necesaria para ello. En la Figura 3-1 se
muestra mediante un diagrama de bloques el esquema general del control de una caldera.
Figura 3-1. Esquema de control básico
Desde el punto de vista del equilibrio energético se debe generar una demanda de carga (de fuego), de la
cual se generarán a su vez las demandas de combustible y aire, que proporcionarán el aporte de energía
necesario para mantener el equilibrio respecto a la extraída en el vapor. El control de nivel será el encargado
de mantener el equilibrio entre la masa saliente en forma de vapor y la entrante en forma de agua. La
temperatura del vapor será mantenida mediante el control de temperatura de éste, con su influencia, tanto en
el equilibrio de energía como de masa.
En el sistema de control de una caldera, las diferentes variables interaccionan sobre los diferentes
subsistemas. Así, la demanda de carga influirá sobre la temperatura de vapor, el caudal de agua sobre la
presión de vapor que a su vez es la causante de la demanda de carga. Por lo tanto, todo el sistema debe ser
coordinado y implementado de forma que minimice los efectos de dichas interacciones, puesto que el propio
diseño del sistema las puede aumentar.
La primera consideración como consecuencia de lo anterior es en donde se requiere un sistema multivariable
o lazos simples independientes. En general, usaremos lazos de control simples en aquellas variables que no
influyen, ni están influidas, por otras externas al lazo, como pudieran ser, la presión de suministro de
combustibles, de conductos, etc., siempre que sus valores de consigna sean fijos y no, función de otras
variables del sistema.
Usaremos una estructura multivariable, por el contrario, cuando las variables afectan o están afectadas por
más de una variable medida o manipulada. En este caso, un sistema cuyas acciones son tomadas en paralelo
está generalmente menos interaccionado que uno que las toma en serie. Un ejemplo de esto sería el control
de combustión en el cual la cantidad de aire y combustible se modifican a la vez en lugar de una tras de otra,
en cuyo caso una perturbación en la primera variable se propaga en la segunda perturbando está y viceversa.
Otra regla general de implementación será el uso de circuitos de compensación de forma que las
perturbaciones en las variables no afecten al proceso. Un ejemplo de esto sería la compensación según los
combustibles que se estén usando, de forma que la puesta en servicio de un nuevo combustible no modifique
el combustible total que se introduce en el hogar.
Aunque los lazos de control tienen de alguna forma tiempos muertos, en la mayoría de los casos se puede
asumir que una respuesta de primer orden es adecuada para analizar el comportamiento de los lazos de una
caldera. Con esta premisa, las constantes de tiempo para las distintas variables podemos asumirlas como:
- Caudal. Segundos
- Caída de presión. Segundos
- Nivel. De segundos a minutos.
- Aumento de presión. Minutos.
- Temperatura. Minutos.
- Presión en líquidos. Milisegundos a segundos.
Otro factor a tener en cuenta en el diseño del sistema de control, es la interferencia de los ruidos en el
sistema, ya sean ruidos en las medidas o en el proceso. Un ejemplo del primer caso sería el ruido típico en la
medida de un caudal, y del segundo la pulsación que se produce en el hogar. Dependiendo de la relación
entre el ruido y la medida en sí, puede hacerse necesario la implementación de algún tipo de filtrado, aumento
en la calibración de los transmisores, etc.
El control de una caldera es un tema extenso que incluye tanto los procedimientos de arranque y parada como los enclavamientos de seguridad y la operación en continuo de la caldera. Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera, las acciones de modulación de la misma se desarrollaban con equipos analógicos (continuos). Las secuencias de arranque y parada, así como los enclavamientos, son acciones digitales (todo/nada) que implicaban equipos digitales. Actualmente, debido a los avances en los
sistemas basados en microprocesador es posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad de la caldera.
Para poder desarrollar una aplicación de control adecuadamente es necesario entender correctamente los objetivos del sistema de control. En el caso de las calderas de vapor existen tres objetivos básicos:
Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las condiciones de presión y
temperatura deseadas.
Operar continuamente la caldera al menor coste de combustibles manteniendo un alto nivel de
seguridad.
Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y tomar las acciones
necesarias para una operación segura en todo momento.
Los dos primeros objetivos serán realizados por lo que tradicionalmente se conoce como sistema de
control analógico, mientras que el tercero será labor del sistema de seguridades y manejo de quemadores.
Un diagrama básico de una caldera podría representarse como se muestra en la Figura 1-1.
En esta figura se pueden diferenciar dos sistemas distintos. El primero sería el sistema agua-vapor. En él, el
agua que se introduce en la caldera es convertida en vapor, que sale de la caldera al recibir el calor necesario
mediante la transferencia de calor a través del metal de los tubos. El segundo sistema es de combustible-aire-
gases que es el que proporcionará el calor que se transmite al agua.
En este sistema, el aire y el combustible se mezclan y queman en el hogar. El hogar suele estar formado por
paredes de tubos de agua que reciben el calor radiante de la llama y es por tanto donde se produce la
máxima transferencia de calor.
Los gases de combustión, como resultante de esta pérdida de calor, se enfrían y abandonan el hogar
pasando a la zona de recuperación de calor formada por tubos de vapor en donde la llama ya no se ve y el
calor se transmite por convección. Como la transmisión de calor depende, entre otras cosas, de que exista
una diferencia de temperatura, la temperatura de salida de los gases será siempre algo superior a la
temperatura menor del circuito agua-vapor.
Figura 1-1. Diagrama básico de una caldera
Esta pérdida de calor disminuye el rendimiento del ciclo. Al objeto de elevar dicho rendimiento, los gases de
combustión suelen pasarse por algún tipo de intercambiador de calor. Un primer ejemplo sería la instalación
de un economizador (Figura 1-2), que consiste en un conjunto de tubos de agua expuestos a los gases tras la
zona de recuperación de calor, con el propósito de calentar el agua de alimentación y aprovechar al máximo
el calor de los gases de la combustión antes de abandonar la caldera.
Figura 1-2. Caldera con economizador
Una segunda posibilidad sería aprovecharlos para elevar la temperatura del aire de entrada en lo que se
conoce como precalentador de aire (Figura 1-3). En este caso se debe considerar que dichos gases pueden
tener limitada su mínima temperatura si en su composición está presente el azufre. En aquellas instalaciones
en las que es posible la instalación de ambos equipos lo normal sería pasar primero los gases por el
economizador y después por el precalentador.
Figura 1-3. Caldera con precalentador de aire
CALDERA
Aunque se pueden hacer muchas clasificaciones de calderas de acuerdo con diferentes criterios, se puede
decir que hay dos tipos generales de calderas: las pirotubulares (tubos de humo) y las acuotubulares (tubos
de agua) y dentro de éstas últimas se diferenciará entre calderas con calderín agua-vapor y calderas de paso
único. Adicionalmente, las calderas se pueden clasificar en alta y baja presión, de vapor saturado o
sobrecalentado.
El vapor saturado es aquél al que no se le ha calentado por encima de la temperatura de saturación. Se le
denominará seco si ha sido totalmente evaporado, o húmedo con un % de humedad si no lo ha sido. El vapor
sobrecalentado será aquél que, por el contrario, sí ha sido calentado después de su completa evaporación,
modificando su temperatura para la misma presión. Al estar sobrecalentado puede entregar o perder parte de
su energía sin condensar, con los beneficios que esto conlleva para su transporte o uso en turbinas.
Se entenderá por calderas de alta presión aquellas que operan a una presión superior a 1 bar. Una ventaja de
usar calderas de alta presión es la reducción del tamaño de la caldera y de las tuberías de vapor para la
misma capacidad de transporte de calor, debido al aumento de la densidad del vapor con la presión. Esto
puede ser particularmente importante si los consumidores del vapor están a alguna distancia de la caldera.
Además la energía disponible en el vapor aumenta con la presión, algo esencial cuando el vapor se usa en
una turbina.
Otra clasificación habitual de las calderas sería por el tipo de tiro. El aire necesario para la combustión se
aporta normalmente a las calderas mediante ventiladores. Según estos ventiladores actúen sobre el
suministro de aire, diremos que las calderas son de tiro forzado, inducido o equilibrado. Las primeras son
aquellas en las que el ventilador, situado en la entrada, introduce el aire en la caldera, y por tanto son de
hogar presurizado. Las segundas son las que teniendo el ventilador en la salida aspiran los gases de la
combustión y los envían a la chimenea, siendo por tanto de hogar en depresión. Cuando coexisten ambos
ventiladores la caldera se denomina de tiro equilibrado, haciéndose que el hogar trabaje un poco en depresión
para evitar escapes de gases.
Volviendo a la clasificación general, las calderas pirotubulares son aquellas en las que los gases de la
combustión circulan a través de tubos que están rodeados por agua. Muchas de las calderas pequeñas y
medianas de la industria son de este tipo. Los gases de la combustión se enfrían a medida que circulan por
los tubos, transfiriendo su calor al agua. La transferencia de calor es función 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 típico de este tipo de calderas sería la Figura 1-4 en la que se aprecia un pequeño
hogar sobre el recipiente con el agua, que a su vez es traspasado longitudinalmente por los tubos de los
gases de la combustión. Las calderas pirotubulares pueden diseñarse 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 (Figura 1-5). Las calderas pirotubulares suelen trabajar hasta unos 20 bares para
unas producciones máximas de unas 20 Tm/hr.
Figura 1-4. Caldera pirotubular
Figura 1-5. Pasos de caldera
Las calderas acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos. Estos tubos
están, generalmente conectados a dos calderines (Figura 1-6). El calderín superior de vapor, en el cual se
produce la separación del vapor existente en el agua en circulación, y el inferior de agua, también conocido
como calderín de lodos al depositarse éstos en él.
Figura 1-6. Caldera paquete acuotubular
En algunos casos este calderín inferior es sustituido por colectores, como es el caso de la caldera de
recuperación de la Figura 1-7.
Figura 1-7. Caldera acuotubular de recuperación
Los tubos que unen ambos calderines se distribuyen de forma que una parte de ellos queda en el lado caliente de la caldera - zona de la caldera que está en contacto con los gases de la combustión - y otra en el lado frío (Figura 1-8). El agua de los tubos del lado caliente es parcialmente evaporada de forma que dicho vapor asciende hacia el calderín superior debido a la menor densidad de éste con respecto al agua. El agua de la parte fría circula del calderín superior al inferior debido a la mayor densidad del agua en esta zona, de forma que se produce una circulación natural de la masa de agua. Este tipo calderas suelen operar hasta presiones de 100 bares en el caso de las calderas industriales y de 200 en el caso de calderas para centrales térmicas, con unas producciones de 500 Tm/hr y 4000 Tm/hr respectivamente.
Figura 1-8. Circulación en una caldera acuotubular
Para presiones superiores a las indicadas, a partir de las cuales la circulación desciende rápidamente debido a que las densidades del agua y el vapor son similares, se utilizan calderas acuotubulares de paso único. En éstas calderas, la circulación es forzada por un sistema de bombeo que introduce el agua por un extremo y, tras ser calentada, sale en forma de vapor por el otro. Son capaces de trabajar hasta 350 bares de presión. Estas calderas son propias de centrales térmicas por lo que no nos detendremos en más particularidades sobre ellas.
o Sistemas de control de la temperatura del vapor a la salida del recalentador:
El primer sistema consiste en llevar el vapor entre el recalentador primario y secundario hacia un atemperador de aire colocado en la admisión de aire de los quemadores. El enfriamiento se regula dejando pasar más o menos cantidad de aire por el desrecalentador.(ESdI)
El segundo, aunque no es del todo correcto decir que sea un sistema de desrecalentamiento, sino un sistema de control de la temperatura de la salida del vapor, consiste en hacer un by pass en los gases de la chimenea, dejando pasar la totalidad de los gases hacia un recalentador o desviando parte de éstos hacia un economizador. El enfriamiento se controla por la cantidad de gas que se desvía hacia el economizador. (ESdII)
El tercer sistema antes mencionado consiste en hacer circular un serpentín por el fondo del domo y favorecer así la transmisión de energía entre el vapor del interior del desrecalentador y el agua del domo. El enfriamiento se controla por la cantidad de vapor que se deja circular hacia el serpentín; el vapor enfriado se mezclara con el no enfriado antes de entrar en el recalentador secundario. (ESdIII)
Se puede hacer circular el vapor por un serpentín de ida y vuelta dentro de un contenedor inundado por agua que es extraída y devuelta al domo. El enfriamiento se controla por la cantidad de vapor que se circula hacia el atemperador, de igual modo luego se mezclan con el vapor no enfriado antes del recalentador secundario. Si se hace una extracción de vapor para sistemas auxiliares después del primer atemperador se puede hacer circular por un serpentín en el fondo del domo; así el vapor es suministrado cerca de la saturación.
Se puede hacer circular el vapor saliente de un recalentador primario por un desrecalentador de serpentín en el domo superior y luego recalentarlo en el recalentador secundario y, finalmente hacer de este vapor la extracción necesaria para los sistemas auxiliares y hacerlo recorrer un serpentín situado en el colector inferior.(BDU)
Se puede utilizar un atemperador de spray.
También se puede considerar sistema de control de la temperatura del vapor a la salida del recalentador el sistema de recalentador intermedio (ESRd) que deja pasar o no el vapor por el interior de todo un cuerpo de recalentador. Cuando este recalentador no está circulado se enfría exteriormente con aire.
o Los precalentadores de aire:
Se suelen colocar en la sección de chimenea donde ya la temperatura de los gases es poco elevada, esto sería después de los economizadores.
Se puede considerar precalentador de aire el atemperador de aire (ESdI) ya que el vapor calienta el aire de entrada a los quemadores.
o Quemadores:
Tiro: Se llama tiro a la corriente de aire en la caldera, necesario para la combustión.
Tiro natural: se produce por la diferencia de densidades, provocado por al temperatura, en la chimenea hay cantidad de gases a una temperatura elevada, la Pext es mayor que la interior, por diferencia de densidades ya que la altura es la misma, el producirse esta diferencia de presiones el aire del exterior quiere entrar, y produce el tiro natural. Para mejorar el tiro, se podría conseguir elevando la temperatura de los gases de escape, pero de esta manera no conseguiríamos mayor rendimiento de la combustión, entonces se hace aumentando la altura de la
chimenea. Este tipo de tiro en caldera es muy clásico, solo utilizado actualmente en casas.
Tiro artificial: existen tres tipos de tiro forzado:
Tiro forzado: este sistema es que hace entrar aire a la caldera mediante ventiladores.
Tiro inducido: Extrae los gases de la cámara de combustión y los expulsa hacia la chimenea, pero el inconveniente que tiene es que el ventilador que extrae el aire de la cámara se encuentra trabajando en una zona conflictiva por la elevada temperatura, trabaja en una zona donde hay gases corrosivos y hay sólidos como ceniza, que pueden llegar a estropear las paletas de los ventiladores
Tiro equilibrado: Se utiliza las dos cosas, el tiro forzado y el tiro inducido, con esta conseguimos no presurizar la cámara de combustión. Este tiro es utilizado en calderas muy largas, ya que hay que perdidas de carga muy considerables (perdidas de presión) si solo colocásemos tiro forzado aumentaríamos la presión de la cámara de combustión y si solo colocásemos tiro inducido crearíamos mucho vacío, que provocaría deformaciones a la cámara de combustión.
De los quemadores de combustibles sólidos:
De los quemadores de combustión estática:
Los quemadores de combustión estática queman el carbón a grandes trozos.
Suelen ser grandes parrillas de hierro.
El ancho de la maya debe ser más pequeño que el grosor del carbón. El agujereado de la maya es para la evacuación de ceniza.
Antes para manejar estas parrillas hacen falta barras, rodos y ganchos. Pero en la actualidad es automático.
La parrilla automática es una cinta sin fin que circula de forma lenta (Suficiente para asegurar la combustión completa). Sobre ella se introduce el carbón.
Por debajo de la parrilla circula aire.
Normalmente las cenizas son reinyectadas para asegurarse de la combustión de todo el carbón existente.
De los quemadores de combustión dinámica:
Son quemadores de carbón pulverizado. Se denomina fase densa cuando llenamos un recipiente de polvo de carbón y luego se sopla, normalmente se hace de forma continua, cuando se va pulverizando, se va soplando. Nos interesa que la cámara de combustión sea los suficientemente alta o larga para que de tiempo al carbón a quemarse completamente y que las cenizas lleguen sólidas a la salida, y de este modo evitar que lleguen pastosas y se adhieren a recalentadores y otros elementos.
El carbón se pulveriza y se transporta de manera neumática.
Una vez el carbón pulverizado se puede quemar en:
Quemadores en las esquinas: se colocan así, y en ángulo para formar unos torbellinos y crear buena mezcla, es una combustión muy rentable.
Quemadores ciclónicos: cámara de combustión cilíndrica y se le da al aire y carbón una entrada tangencial a la cámara de combustión provocado de esta manera dentro de la cámara una movimiento helicoidal, tiene tres movimientos la mezcla, esto hace que la combustión sea mucho mejor.
Entrada progresiva de aire: consiste en realizar tres entradas diferentes de aire. Aire primario, hay demasiadas concentraciones de combustible y poco aire, luego una segunda entrada, aire secundario, para quemar mejor y finalmente más lejos introducimos aire terciario para acabar de quemar y dar el exceso de aire necesario, la introducción de aire es progresiva con la disminución de temperatura. Con esto conseguimos dos ventajas, 1. donde hay una temperatura elevada no hay exceso de aire y de este modo evitaremos la producción de NOX 2. con la entrada progresiva de aire conseguimos
producción de turbulencia para conseguir una combustión mejor.
Técnica del lecho fluido: vamos suministrando aire por debajo para quemar el carbón, si aumentamos mucho el aire se puede llevar el carbón, si lo aumentamos sin suficiente fuerza para que se lo lleve tendremos que el carbón se comportará casi como un lecho fluido. Con esto se conseguimos una mezcla de substancias muy heterogénea, ideal para añadir los aditivos que nos ayudan a controlar a los contaminantes. Con el lecho fluido hay una convección, los trozos van rotando, hay mejor transmisión de carbón, Se consigue quemar a una temperatura más baja (menos contaminantes) Hay 2 tipos.
Lecho fluido simple: se realiza dentro de la cámara de combustión, también denominado lecho fluido burbujeante.
Fluido recirculante: se insufla más aire y el carbón es lanzado fuera de la cámara de combustión y luego recirculado.
De los quemadores de combustibles líquidos:
Los quemadores de combustibles líquidos pueden ser por gasificación, es decir, la propia radiación de la llama existente calienta el combustible evaporándolo y facilitando así la posterior combustión en la que, al prender evaporará más combustible. Este es un proceso lento y de superficie muy limitada.
También pueden ser quemadores por atomización.
De los sistemas de atomización:
De la atomización mecánica:
En la atomización mecánica el combustible llega a una determinada presión y se hace pasar por un orificio muy pequeño, este proceso mecánico hace que el combustible se divida en gotitas muy finas.
Puede ser helicoidal en la que el combustible se hace rotar formando un torbellino consiguiendo un gran radio de expansión.
Puede ser paralela, el combustible se hace pasar por el orificio en el sentido normal de su circulación, se atomiza del mismo modo pero su radio de expansión es inferior.
De la atomización por arrastre de fluido auxiliar:
Al combustible le es añadido un fluido (aire o vapor de agua) a gran velocidad, de manera que arrastra el combustible a la vez que rompe su película atomizándolo en finas gotas.
De la atomización por copa rotativa:
El combustible se hace circular por una copa troncocónica en el sentido de menor a mayor diámetro. Esta copa esta en constante movimiento de rotación lo que hace que el combustible se adhiera por fuerza centrífuga a las paredes y acabe siendo despedido atomizado.
De los sistemas de regulación:
La regulación de la cantidad de combustible quemado puede hacerse por el método todo o nada, es decir o circula combustible y, por tanto hay combustión; o no circula combustible y el quemador está apagado.
La regulación de marchas consiste en un número determinado de atomizadores de los cuales pueden estar todos en marcha, máxima carga, algunos en funcionamiento y otros no, media capacidad, o todos apagados, quemador apagado.
Puede existir un sistema de regulación que puede ser o bien de camisa de regulación del caudal de aire o bien por una válvula de retorno. En el retorno
ponemos una válvula de forma que cerrada, no tiene retorno, y abierta si, cuanto más abierta mas retorno. Los quemadores pulverizadores con retorno se usan cuando necesitamos variaciones de cuadal. Estos pulverizadores mecanicos tienen tres características que los definen:
caudal
tipo de cono que forman, lleno, semilleno, hueco
ángulo: el angulo vendrá determinado por la forma de la camara de combustión
De los estabilizadores de llama:
Los estabilizadores de llama son unas pantallas troncocónicas con aberturas practicadas a través de las cuales circula el comburente. Estas pantallas hacen que el comburente circule en forma de torbellino regresando de nuevo hacia el quemador de dónde venía, así, se evita que la llama se despegue del quemador y que, por tanto sea necesario ir encendiendo constantemente el quemador.
De los quemadores de gas:
Los quemadores de gas pueden ser de difusión, es decir, al empezar las reacciones químicas se mezclan combustible y comburente.
También pueden ser de premezcla; el combustible y comburente ya han sido mezclados antes de entrar en la cámara de combustión. Así, en este tipo existen las cámaras de mezcla que son precedidas por una tobera que aumenta la velocidad del gas y disminuyen su presión; en esta cámara se añade el aire por una entrada y la salida de la mezcla se realiza por un difusor que disminuirá su velocidad pero aumentará su presión.
Las instalaciones con sistema de combustión de gas deben hacerse colocando los siguientes elementos en este orden: Llave de paso, filtro, regulador de presión, entrada 1 del sistema de detección de fuga, válvula de cierre, entrada 2 del sistema de detección de fuga y válvula de cierre.
Detectores de fugas: Se instala un detector para detectar si hay fugas. Acostumbra a ser un orificio que va a un recipiente con aceite de manera que si pasa gas burbujea.
De los quemadores de combustible mixto:
Existen un tipo de quemadores que pueden quemar combustible líquido y gaseoso. Suelen ser utilizados en metaneros y lo más común es que se trate de un quemador tradicional de líquido con un volante agujereado exterior por el que se inyecta el líquido.
De los detectores de llama:
Existen tres tipos de detectores; los detectores de temperatura que, como su nombre indican detectan la temperatura a la salida del quemador. El problema de estos detectores es que normalmente, aun habiéndose apagado la llama, la salida del quemador conserva la alta temperatura durante un rato, rato en el que, si no se da la orden el combustible continúa emanando, perdiéndose en el mejor de los casos y pudiendo llegar a ser objeto de explosión al reencender la llama.
Los detectores de ionización. Si introducen dos electrodos en la llama se conduce la corriente. Si no hay llama no se conduce. Este sistema se suele utilizar solo en quemadores de gas. Se utiliza corriente alterna y dos electrodos de secciones muy diferentes y por tanto diferente resistencia, así se debe leer una señal muy característica que no admite engaños.
Los detectores de radiación luminosa de la llama. Ya que las llamas emiten en ultravioleta, visible e infrarrojo. Según el combustible, puede tener una emisión muy diferente. Así, para detectar en visible se usan fotocélulas de sulfuro de cadmio y oxido de cesio. Para infrarrojo sulfuro de plomo y para ultravioleta cuarzo y tungsteno. Cuando el gas es ionizado permanece ionizado, así que lo que se hace es interrumpir la tensión periódicamente. Para líquido se suele usar infrarrojo o visible y para gas ultravioleta.
o Válvulas:
De las diversas presiones:
Presión de timbre es la presión en la cual se ha proyectado el generador. Se llama así porque esta presión va timbrada en la envolvente de la caldera.
Presión de régimen: es la presión a la que la caldera funciona normalmente. Es una presión algo inferior a la de timbre.
Estas presiones se encuentran con la prueba hidráulica según el modo que establecen las sociedades clasificadoras.
De los requisitos de una válvula de seguridad:
A una válvula de seguridad se le exige que abra automáticamente cuando la presión exceda en un pequeño valor de la presión de timbre.
Tenga una sección de fuga suficiente como para que deje salir todo el caudal que produce la caldera.
Que una vez restituida la presión cierre automáticamente. A una presión algo inferior a la de timbre.
También debe poder abrirse manualmente.
De la colocación de las válvulas:
Se suelen colocar 2 válvulas. Una en el colector y otra a la salida del recalentador.
La válvula de la salida del recalentador abre a más baja presión ya que se tiene en cuenta las pérdidas de carga sufridas.
De los tipos de válvula:
Los pesos: Consisten en colocar un peso móvil sobre la salida de la válvula. Este peso debe tener el valor de la presión de timbre por la sección de la válvula. El problema de este tipo de válvulas, por otro lado muy efectivas, es que como ahora se trabaja con calderas de grandes caudales y grandes presiones de timbre, los pesos a colocar son excesivamente elevados.
Las palancas: consiste en colocar el peso en el extremo de una palanca que pivota sobre una articulación situada de forma diametral a la abertura de la válvula. El problema de este tipo de válvulas es que a pesar de poner palanca en muchos casos el peso o el brazo de la palanca debían ser demasiado grandes, además guarda el problema en las máquinas marinas que según la escora del buque la válvula abre antes o después.
Los resortes: Consiste en colocar un resorte con un obturador en su extremo sobre la sección de la válvula. El problema del resorte es que según se va comprimiendo la presión necesaria para comprimirlo más aumenta. Así, si deseamos que abra a una presión un poco superior a la de timbre nos encontraremos que a esa presión comenzará a abrir pero no alcanzará la altura necesaria para evacuar
todo el caudal. h=d/4. Como este tipo de válvulas no consiguen evacuar el caudal se denominan válvulas de apertura menor.
De cruz: Consiste en dar una forma muy particular al obturador de la válvula y también a la sección de la apertura. El obturador va, igual que antes unido a un resorte, pero debido a esta forma especial semejante a una peonza tallada en forma de cruz y a la forma de cruz de la apertura, el vapor ejerce más presión y encuentra mayor sección.
Pistón más camisa: Consiste en colocar una especie de pistón dentro de una camisa cilíndrica que se llena con el vapor arrastrando este pistón como si se tratara de un émbolo.
Servo válvula: Consiste en hacer circular parte del vapor de fuga por un pequeño circuito que será el que comience a abrir la válvula y dar paso a todo el vapor. Después todo el vapor ejercerá presión y abrirá en su totalidad.
Electroimán: Consiste en dos sensores de presión que dan corriente a un imán para hacer abrir la válvula.
Electro neumáticas:
Electro hidráulicas:
o Sistemas de eliminación del hollín:
Están destinados a eliminar el hollín que se acumula en los haces tubulares y elementos de las calderas.
De los sopladores de hollín:
Consiste en lanzas que disparan chorros de vapor de agua a gran presión cuando se requiere.
Estos sopladores pueden ser estáticos o retráctiles, usados estos últimos en las zonas donde la temperatura es tan elevada que si se dejaran colocados sin estar circulando vapor por su interior para refrigerarlos se quemarían.
Suelen ser rotativos, giran sobre su propio eje para que los chorros de vapor alcancen el mayor radio posible. Suelen ser movidos por un sistema de correas a un motor mayor o por un pequeño motor neumático.
En algunos casos también se trabajan las salidas del vapor con cierta inclinación, también para alcanzar el mayor radio. (Esto se suele hacer en los retráctiles).
Siempre se ponen en funcionamiento desde el más alejado hasta el más cercano a la chimenea.
De los otros sistemas de eliminación de hollín:
El sistema de ultrasonidos consiste en utilizar este tipo de ondas para hacer vibrar los haces tubulares y que se desprenda el hollín.
El pachín es un sistema que consiste en perdigonar los tubos con pequeñas bolas de acero.
o Indicadores de nivel:
Es de vital importancia saber que nivel de agua y de vapor existen en el domo. Por eso se colocan unos visores que nos lo indican.
Estos visores siempre deben poder ser drenables.
De los distintos visores:
El elemental consiste en unos vasos comunicantes de vidrio donde nosotros podemos observar el menisco del agua. Los problemas de este visor son varios. Debido a las altas presiones que debe soportar, el vidrio debe ser muy grueso y, por tanto impide bastante la visión. El vapor y el agua poseen exactamente el mismo color (ninguno) así que lo único que se ve es el menisco. Si se ha de ver desde algún punto un pelín alejado es imposible. Suelen romperse con facilidad.
El sistema Klinger® consiste en un visor de metal y cristal unidos como en forma de prensa que mantienen en su interior el nivel de agua. La cara del cristal que da al interior, es decir al agua o al vapor está labrada con unas formas que aprovechando las propiedades de reflexión y refracción del agua líquida y del vapor; si nosotros aplicamos luz frente al visor, el vapor refleja la luz, viendo nosotros toda la zona de vapor brillante y el agua la absorbe viendo nosotros esta zona negra. El problema es que como el agua y el vapor erosionan mucho pronto el gravado del cristal se pierde y el visor pierde con ello sus propiedades.
Otro sistema consiste en colocar unas bombillas detrás del nivel. Este nivel encerrado entre mica que no se erosiona y es transparente en capas muy finas. Una pared con aberturas en ángulo hace llegar al nivel la luz de las bombillas con un grado de inclinación tal que, justo el menisco donde cambia de agua a vapor refleja esta luz dejando una pequeña franja brillante en un fondo completamente negro.
Otro sistema consiste en colocar también luz detrás del visor, pero colocando dos pantallas de dos colores diferentes y bien distinguibles (verde y rojo, por ejemplo) con ángulos diferentes. Así, el agua dejará pasar tan solo la luz que viene de un color reflejando hacia atrás la otra y viceversa. Así obtendremos un visor con dos colores, uno para el agua y otro para el vapor.
A distancia se puede utilizar un liquido inmiscible y de color llamativo que debido a vasos comunicantes con el domo y a una pequeña cámara superior nos indicará en todo momento donde esta el agua.
También a distancia se puede utilizar un presostato con un imán y una espiral que nos dará la señal del agua con una flecha sobre un panel visor.
o Sistemas de control del nivel del colector:
No solo nos basta con conocer el nivel de la caldera, también nos interesa poder controlarlo. Para este fin se utilizan los sistemas de control de nivel.
El más sencillo consiste en un flotador unido en su zona superior a un vástago en cuyo extremo se encuentra un interruptor magnético. Este interruptor magnético va subiendo o bajando según el nivel de la caldera, y según suba o baje puede colocarse ante cuatro indicadores magnéticos cada uno de los cuales da una señal con un diferente significado. El inferior y superior centrales indican a la bomba de alimentación su arranque o su parada. Los dos extremos indican nivel gravemente alto o bajo y dan señal de parada al motor y suena una alarma de paro manual.
Por supuesto, en un barco no se puede confiar en un flotador, ya que continuamente daría orden de arranque o parada. Para esto lo que se hace es filtrar la señal utilizando un temporizador antes no dar la señal de arranque o parada.
También se puede utilizar un sistema de electrodos introducidos en el agua que darán señal mientras estén sumergidos, pero nos volvemos a encontrar con el problema del oleaje y los movimientos.
Otro tipo de controlador es el termo hidráulico, consiste en colocar un vaso comunicante inclinado que circula dentro de una cámara llena de agua. Este vaso transmite calor al agua dependiendo de su propio nivel de agua o vapor haciendo que en la cámara que lo rodea haya de igual manera más agua o más vapor. Lo que nosotros medimos es la presión que ejerce el vapor dentro de la cámara exterior.
El controlador termostático consiste en un tubo inclinado fijo por uno de los extremos y unido a la caldera de manera que dentro de éste haya el mismo nivel. El vapor tiene un coeficiente de convección muy elevado y el agua no. Así el tubo se dilatará mucho más cuando esté lleno de vapor que no cuando lo esté de agua. Así, midiendo el tubo sabremos cuanto nivel de vapor o agua hay en la caldera.
Existen otros sistemas de control automático que son capaces de avanzarse a la necesidad de apertura o cierre de la bomba calculando diversos niveles y presiones.