INTRODUCCION

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin 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, ya que era un industrial ingls muy conocido.La mquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.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 multihumotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbn o lignito. El humo, es decir los gases de combustin cliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.

MARCO TEORICO

Definicin de calderaLa caldera es una mquina o dispositivo de ingeniera diseado para generar vapor.

Este vapor se genera a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia de estado. Bsicamente son recipientes metlicos, comnmente de acero, de forma cilndrica o semicilndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior puede circular los gases de combustin o el agua de alimentacin dependiendo del tipo.

Como se dijo en el prrafo anterior podemos dividir las calderas en dos grandes grupos, la primera donde el agua de alimentacin fluye por los tubos del interior que se denominan acuotubulares, y el segundo grupo en el cual en el interior de los tubos se encuentran fluyendo los gases de combustin que se denominan pirotubulares.

En el presente trabajo nos enfocaremos en el segundo grupo, las denominadas calderas pirotubulares.Calderas Pirotubulares

En los primeros diseos, la caldera era simplemente un casco con una lnea de alimentacin y una salida de vapor montado sobre una caja o marco de ladrillos. El combustible era quemado sobre una parrilla debajo del casco y el calor liberado era aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases salieran por la chimenea.

Los diseadores de calderas muy pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era necesario poner una mayor porcin de esa agua en contacto con el calor.

Una manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustin dentro del recipiente o casco de la caldera. Este diseo dio origen a las calderas pirotubulares.

Las calderas pirotubulares se denominan asi porque hacen pasar los gases producto de la combustin a travs de los tubos en el interior de la caldera, estos a su vez transfieren calor al agua de la caldera que les rodea.El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o ms pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua est generalmente 2" por encima de la huera de tubos ms alta.

Debido a su gran volumen de agua, el tiempo que necesita para alcanzar su presin de trabajo , partiendo de un arranque en fro, es considerablemente mayor que el requerido por una caldera acuotubular.

Las altas presiones son una de las mayores limitantes de estas calderas ya que la fuerza que se ejerce a lo largo del casco es dos veces la fuerza que se ejerce alrededor de la circunferencia del mismo. De lo anterior se deduce que para altas presiones y mayores capacidades se necesitaran paredes extremadamente gruesas, lo que las hace antieconmicas.

Una presin de 250 psi y una produccin hasta de 25.000 Ibs/hora son considerados los topes prcticos para este tipo de calderas. Sin embargo, en Europa se construyen unidades de hasta 30.000 Ibs/hora de produccin. Esto las hace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequea y no se requiera su aplicacin en turbinas.

Por problemas de resistencia de materiales, su tamao es limitado. Sus dimensiones alcanzan a 5 m de dimetro y 10 m de largo. Se construyen para Flujos mximos de 20.000 Kg/h de vapor y sus presiones de trabajo no superan los 18 Kg/cm2.

Producen vapor saturado, siendo este el caso se les instala un estanque de expansin que permite absorber las dilataciones de agua. En el caso de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm. sobre los tubos superiores.

Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocs.

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 pares de 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.

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.

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.

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.

CaractersticasDentro de sus caractersticas se puede hacer nfasis en las siguientes: Sencillez de construccin. Facilidad de inspeccin, reparacin y limpieza. Gran peso. Lenta puesta en marcha. Gran peligro en caso de explosin o ruptura debido al gran volumen de agua almacenada. Se usan principalmente para sistemas de calefaccin para la produccin de vapor requerido en los procesos industriales o como calderas porttiles. Se usa generalmente en donde la demanda de vapor es relativamente reducida, comparada con la demanda de las grandes centrales termoelctricas. No se utiliza para el accionamiento de turbinas, porque no es convenientemente adaptable a la instalacin de sper calentadores. El costo de una caldera pirotubular instalada, es relativamente bajo y considerablemente menor que la correspondiente caldera acuotubular. Se basa principalmente en el hogar y en los pasos de los gases a travs de los tubos. Se han desarrollado muchos dispositivos, los tubos han sido colocados horizontalmente, inclinados y en posicin vertical, con uno o ms retornos. Recibe la denominacin de caldera de tubos continuos o de tubos de retorno, de acuerdo con la direccin del flujo de los gases. Puede tener un hogar interno, o estar dotada de fogn externo.

Esquema (partes principales)La mayor parte de las calderas tanto de aplicacin industrial que son usadas actualmente son del tipo horizontal. Las caractersticas de este tipo de calderas son bastante parecidas, a continuacin se detallan sus partes principales:

El Cuerpo o CascoEl cuerpo de la caldera est compuesto bsicamente por un cilindro de plancha de acero en el cual se encuentra formando parte integral el hogar y los tubos de fuego. La lnea del nivel de agua se fija generalmente en un punto localizado a no menos de 5 cm. Arriba del borde de la hilera superior de los tubos de fuego, o de la placa de la corona. El espacio comprendido arriba del nivel de agua es llamado cmara de vapor. El Hogar

El hogar constituye la parte de la caldera donde se realiza la combustin de la mezcla aire, suministrado por un ventilador, y el combustible pulverizado a travs de un quemador.

El hogar en las calderas pirotubulares va localizado segn el tipo de fabricante, este puede ser centralizado en unos casos y un poco desplazado hacia la base o parte inferior de la caldera en otros. Adems lleva ladrillos refractarios los cuales van pegados entre s con cemento refractario, este material refractario constituye un recubrimiento interior del hogar, para evitar que estas altas temperaturas alcancen y destruyan la cubierta o carcaza de la caldera.

La Cmara de Combustin

En las calderas pirotubulares se considera que la caldera forma una sola parte con el hogar, sin embargo existen ciertas diferencias en el diseo de la cmara posterior del hogar que se deben considerar.

Es as que se denominan "calderas de cmara hmeda" a aquellas que tienen su parte posterior enfriada por la misma agua de la caldera.

Por otra parte, se denominan "calderas de cmara seca" a aquellas que tienen su parte trasera o posterior en contacto con los gases provenientes de la combustin realizada en el hogar.

Se puede destacar que los tubos de las calderas con fondo seco son todos de la misma longitud, no as los tubos de la caldera con fondo hmedo que son de dos longitudes diferentes.

Por otra parte cabe notar que la tapa de registro de la caldera de fondo seco ubicada en la parte trasera es de mayor dimensin que la caldera de fondo hmedo, lo cual facilita su acceso para inspeccin o limpieza.

Tubos de Fuego

Los tubos de fuego son construidos de acero de bajo porcentaje de carbono. La forma como se encuentren estos distribuidos definir el nmero de pasos o retornos de gases circulando por el interior de los mismos.Todos los tubos se encuentran soportados y unidos en sus extremos a placas o espejos, en los cuales van expandidos, biselados y pestaeados; o soldados segn sea el tipo y marca de la caldera.Los tubos de fuego son regularmente de 51 mm a 102 mm (2"a 4") de dimetro, y su seleccin depende de la perdida de tiro y del tipo de combustible a usar. Frecuentemente se aumenta el dimetro en 25 mm por cada 1.22 m de aumento en la longitud de los tubos. Esta relacin es variable. Las calderas porttiles con chimeneas cortas, requieren dimetros grandes en los tubos; las que van dotadas de ventiladores de tiro, pueden llevar tubos de menor dimetro.Cabe indicar que en las calderas de tres pasos, se obtiene la mxima transferencia de calor en el segundo y tercer paso sea en los tubos de fuego, ya que los mismos representan la superficie de calentamiento principal de esta mquina trmica. En las calderas de cuatro pasos, el 40% del calor es transferido en el hogar y el 60% es transferido en los otros tres pasos de los gases a travs de los tubos. Puertas o Tapas de RegistroLas puertas de acceso a los tubos se encuentran localizadas frente a los mismos; las puertas para la limpieza se encuentran en las cajas de humo y otras partes convenientes. Estas puertas son necesarias para remover el holln y para el cambio de tubos.Para el acceso se cuenta con registros de hombre, (Manhole) y para la limpieza, desfogue de sedimentos y lodos, as como para la inspeccin de las partes en contacto con el agua, se dispone de registros de mano (Handhole) y orificios con tapones roscados.Los grifos de drenaje colocados en las partes inferiores, se conocen como grifos de purga. El vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la caldera por una o varias boquillas o conexiones roscada. ChimeneaLa chimenea es el ducto que conduce por medio de un tiro los gases producto de la combustin hacia afuera de la caldera.El tiro natural se crea por la diferencia de presiones originada 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 desde el hogar hacia el exterior de la caldera.En cambio el tiro forzado significa introducir aire a presin al hogar, utilizando ventiladores.El tiro inducido por su parte significa succionar los gases de combustin a travs de ventiladores instalados en la chimenea, para sacarlos hacia el exterior.Funcionamiento

El vapor se genera calentando un importante volumen de agua, por medio de los gases de combustin producidos durante la combustin del gas o del fuel y circulando en los tubos sumergidos en el agua. Esta es la tcnica ms clsica para la produccin de vapor saturado, para una gama de caudales de 160 a 50.000 kg/h (112 34.000 kW).

La circulacin de gases se realiza desde una cmara frontal dotada de brida de adaptacin, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cmara de salida de humos.

El acceso, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cmara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexin. En cuanto al acceso, la entrada de agua se efecta a travs de la boca de hombre, para facilitar la limpieza de posible acumulacin de lodos.

El conjunto completo, calorfugado y con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de slida y firme construccin suministrndose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalacin.

CombustiblesLos combustibles ms comnmente usados son:

Combustibles slidos:

Carbn de piedraCarboncilloLeaBasuras o desperdicio domestico

Combustibles lquidos:

PetrleosKerosnAlquitrn combustible

Combustibles gaseosos:

Gas licuado (de petrleo)Gas de alumbrado (de carbn)

Agua de AlimentacinEl 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 des carbonatacin o ablandamiento, o desmineralizacin total, adicionalmente, segn la presin manejada por la caldera, es necesario controlar los slidos suspendidos, slidos disueltos, dureza, alcalinidad, slice, material orgnico, gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la caldera sufrir problemas de incrustaciones, sedimentacin, desgaste por material en forma de partculas, etc.

Objetivos del acondicionamiento del agua:

Evitar la acumulacin de incrustacin y depsitos en la caldera. Eliminar los gases disueltos en el agua. Proteger la caldera contra la corrosin. Eliminar el acarreo y retardo (vapor). Mantener la eficiencia ms alta posible de la caldera. Disminuir la cantidad de tiempo de paralizacin de la caldera para limpieza.

Ventajas y DesventajasVentajas

Menor costo de fabricacin, debido a su simplicidad de diseo. Se construyen en tamaos relativamente pequeos para su manejo e instalacin Son porttiles Fcil mantenimiento Almacenan gran volumen de agua Soportan fluctuaciones en la demanda de vapor Menores exigencias de pureza en el agua de alimentacin. Son pequeas y eficientes.

Desventajas

Presentan limitaciones para altas presiones Produccin de vapor relativamente reducida Espacio limitado para la instalacin de equipos auxiliares como sper calentadores. Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento

Aplicaciones IndustrialesMadera:

Secaderos de chapa Prensas Secaderos de tabln Fosos de vaporizacin Lneas de barnizado Cabinas de pintura

Detergentes:

Secaderos de atomizacin Autoclaves Cubas, etc.

Papel y cartn:

Secaderos Engomadores Parafinadoras calandras

Corcho:

Calderas de coccin Acabado de superficies Secadero granulado Curado de aglomerado Prensas

Muebles:

Paneles barnizados Secaderos Tratamiento de superficies Ambientacin, etc.

Textil

Estampadoras Baos de tintes

Betunes y asfaltos:

Cartn bituminoso Calentamiento de redes Calentamiento de masas Emulsiones, etc.

Caucho:

Cilindros Prensa de vulcanizar Hornos de coccin Autoclaves, etc.

Qumica:

Autoclaves Columnas de destilacin Reactores Secaderos, etc.

Curtido:

Produccin de agua caliente Secaderos de vaco Pigmentado Produccin de vapor, etc.

Conservera:

Autoclaves Agua caliente Aparatos de coccin Produccin de vapor, etc.

Alimenticia:

Cocinas industriales Freidoras industriales Intercambiadores, etc.

Hostelera:

Lavadoras y secadoras Calefaccin Agua caliente sanitaria

Metalurgia:

Desengrase Galvanizado Tratamiento de superficies Secado (tneles), etc.

Plsticos:

Prensas hidrulicas Impresoras Terminofijacin, etc.

Riesgos al Operar Aumento sbito de la presin: Esto sucede generalmente cuando se disminuye el consumo de vapor, o cuando se descuida el operador y hay exceso de combustible en el hogar o cmara de combustin. Descenso rpido de la presin:Se debe al descuido del operador en la alimentacin del fuego. Descenso excesivo del nivel de agua: Es la falla ms grave que se puede presentar. Si este nivel no ha descendido ms all del lmite permitido y visible , bastar con alimentar rpidamente, pero si el nivel ha bajado demasiado y no es visible, en el tubo de nivel, deber considerarse seca la caldera y proceder a quitar el fuego, cerrar el consumo de vapor y dejarla enfriar lentamente.Antes de encenderla nuevamente, se deber inspeccionarla en forma completa y detenida. Explosiones:Las explosiones de las calderas son desastres de gravedad extrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto nmero de personas. La caldera se rasga, se hace pedazos, para dar salida a una masa de agua y vapor; los fragmentos de la caldera son arrojados a grandes distancias.El estudio de las causas de las explosiones Ha permitido determinar que estas se deben a: Construccin defectuosa. Falla de los accesorios de seguridad, vlvula de seguridad que no habrn oportunamente o no son capaces de evacuar todo vapor que la caldera produce. Negligencia, descuido o ignorancia del operador. Mezcla explosiva en los conductos de humo. Falta de agua en las calderas (la ms frecuente). Incrustaciones masivas.