- Generalidades sobre calderas
- Combustibles para calderas
- Calderas pirotubulares
- Calderas acuotubulares
- Eficiencia de las calderas
- Accesorios de la caldera
- Información adicional
Generalidades sobre calderas
Las calderas son la parte más importante del circuito de vapor, después de todo, es donde se crea el vapor. Una caldera puede definirse como un recipiente en el que se transfiere la energía de calorífica de un combustible a un líquido. En el caso de vapor saturado, la caldera proporciona también energía calorífica para producir un cambio de la fase de líquido a vapor.
Históricamente, la sala de calderas de vapor siempre ha exigido a un nivel alto de vigilancia manual para proporcionar la seguridad necesaria para la planta. La manera actual de pensar exige que esta planta trabaje eficazmente, y se puede hacer igualando lo máximo posible el suministro a la demanda. En algunos casos, esto puede significar calderas que trabajan continuamente, o en otros, paradas durante intervalos largos o cortos. De cualquier modo, la tecnología moderna permite al ingeniero de la planta escoger el régimen de la caldera confiadamente para ajustarse mejor a su aplicación, con sistemas de control capaces de proporcionar el grado requerido de eficacia, integridad y seguridad.
Una caldera es a menudo el equipo más grande que se encuentra en un circuito de vapor. Su tamaño puede depender de la aplicación en la que se usa. En una instalación grande, donde existen cargas de vapor variables, pueden usarse varias calderas.
Hay calderas de vapor modernas de todos los tamaños para satisfacer aplicaciones grandes y pequeñas. Generalmente, donde se requiere más de una caldera para afrontar la demanda, es económicamente viable centralizar la ubicación de la caldera en un lugar de la planta, ya que el coste de la instalación y de funcionamiento pueden ser significativamente menores que una planta descentralizada.
Por ejemplo, la centralización ofrece los siguientes beneficios sobre varias calderas independientes:
Elección de combustible y tarifas.
La duplicación de equipo reduce el coste de los recambios.
La recuperación de calor es fácil de llevar a cabo para mejor rendimiento.
Reducción en la vigilancia manual que permite al personal realizar otras tareas.
Dimensionado económico de la caldera de planta para satisfacer una demanda variable.
La supervisión de emisiones se controlan y monitorizan fácilmente.
Los protocolos de seguridad y eficacia se controlan y monitorizan fácilmente.
Se deben seguir unas pautas estrictas para hacer trabajar una caldera. Debe recordarse que una caldera de vapor es un recipiente presurizado que contiene agua caliente a temperaturas superiores a los 100°C. Por consiguiente, son necesarias las normativas y equipos de seguridad e inspecciones frecuentes de la caldera que se llevan a cabo para examinar el estado físico de la caldera. El asunto de seguridad de la caldera se examinará más detalladamente en una sección posterior.
Carbón
Petróleo
Los tres tipos más comunes de combustible que se usan en las calderas de vapor son: carbón, fuel-oil y gas. Sin embargo, también 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 cual tiene la tarifa más atractiva.
Carbón es el término genérico dado a una familia de combustibles sólidos con un alto volumen de carbono. En esta familia, hay varios tipos de carbón, cada uno relacionado con la fase de formación del carbón y el volumen de carbono.
Estos estados son;
Turba.
Lignito.
Carbón 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 carbón.
El Fuel-oil que se usa como combustible en la caldera proviene del residuo producido de petróleo crudo después de que se ha destilado para producir productos más ligeros como el aceite de motor, parafina, queroseno, diésel 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: Fuel-oil ligero.
Clase F: Fuel-oil medio.
Clase G: Fuel-oil pesado.
El tamaño más pequeño tenía un cuerpo de caldera de unos 5,5 m de longitud por unos 2 m de diámetro.
La mayor tenía unos 10 m de longitud por 3 m de diámetro.
La capacidad de evaporación de una caldera dependerá de su diseño, tipo de combustible y de hogar y la calidad del combustible.
Régimen "desde y hasta"
Potencia en kW
Boiler horse power (BoHP)
El porcentajerégimen "desde y hasta" = 90 %
Por consiguiente el rendimiento = 2 000 kg/h x 90 %
Rendimiento de la caldera = 1 800 kg/h
Funcionamiento.
Eficacia.
Seguridad.
La(s) válvula(s) de seguridad deberá(n) dar salida a un caudal de vapor equivalente a la potencia térmica de la caldera.
El rango de capacidad de descarga total de la(s) válvula(s) de seguridad debe estar dentro del 110% de la presión de diseño de la caldera.
El orificio que conecta una válvula de seguridad a una caldera debe ser como mínimo de 20 mm.
La tara máxima de la válvula de seguridad será la presión máxima permisible de trabajo de la caldera.
Debe haber un margen adecuado entre la presión normal de trabajo de la caldera y la tara de la válvula de seguridad.
Puede producirse aproximadamente 15 kg de vapor por kg de Fuel-oil o 14 kg de vapor por litro de Fuel-oil.
Gas
El gas es la forma de combustible de caldera que es fácil quemar con poco exceso de aire. Los gases combustibles están disponibles en dos formas diferentes;
Gas natural. Éste es gas que se ha producido (de manera natural) bajo tierra. Se usa en su estado natural, salvo la eliminación de impurezas, y contiene metano en su forma más común.
El gas licuado de petróleo (GLP). Éstos son gases que se producen al refinar el petróleo y se almacenan bajo presión en un estado líquido hasta que se vayan a usar. Las formas más
comunes de GLP son propano y butano.
1 Termia de gas producirá aproximadamente 42 kg de vapor en la salida de una caldera a 10 bar r de presión, con una eficacia de la caldera del 80%.
Combustible de residuos.
Ésta puede ser una fuente barata de combustible primario para las calderas. Antiguamente, las calderas de combustible de residuos podían quemar desechos derivados del proceso como
cortezas de madera o el aceite sucio. La legislación actual hace difícil que las calderas reúnan los requisitos de emisiones necesarios. Ahora es más normal que el combustible de residuos sea quemado como parte de un paquete de energía total. Un ejemplo sería un hospital quemando los residuos en un incinerador de gas donde los gases calientes mezclados se usarían para alimentar una planta productora de vapor, probablemente como parte de un proceso de CHP.
¿Qué combustible?
La elección de que combustible usar para alimentar una caldera depende principalmente de la tarifa de cada tipo de combustible.
Hay calderas qué pueden utilizar únicamente uno de los combustibles anteriores o unidades que pueden usar alternativamente dos tipos de combustible (fuel-oil o gas). Esto será valioso para el operador que alterna combustibles diferentes dependiendo de cual tiene la tarifa más baja. Se puede ahorrar más utilizando un suministro de gas interruptible como el combustible primario, con fuel-oil ligero como alternativa.
Las calderas pirotubulares hacen pasar el calor a través de los tubos en la caldera que a su vez transfieren calor al agua de la caldera que les rodea. Hay varias combinaciones diferentes de distribución de tubos para las calderas pirotubulares dependiendo del número de "pases" que hará el calor del hogar de la caldera antes de descargarse.
Una disposición típica puede verse en la figura 2 qué muestra la configuración de una caldera de dos pasos.
Las figuras 2 y 2a nos muestran los dos métodos en que se invierte el calor del hogar para fluir a lo largo del segundo paso.
La figura 2 muestra una caldera de cámara seca donde el flujo de calor se invierte en una cámara refractaria en la parte externa de la caldera.
Un método más eficaz de invertir el flujo de calor es a través de una caldera de cámara húmeda como muestra la figura 2a. La cámara de inversión está completamente dentro de la caldera y permite una mayor área de transferencia de calor, así como permite calentar el agua en el punto de la caldera donde el calor del hogar será más alto en la pared del extremo de la cámara.
Es importante saber que los gases de combustión deben enfriarse antes de alcanzar la cámara de inversión como mínimo a 420°C para las calderas de acero normales y a 470°C para las calderas de aleación de acero. Temperaturas superiores a estas causarán sobrecalentamiento y grietas de las planchas en el extremo del hogar. El fabricante de la caldera observará que estas limitaciones estén dentro de su criterio.
Se han desarrollado varios tipos diferentes de calderas pirotubulares que se describirán ahora con más detalle.
Caldera Lancashire.
En 1844 William Fairbairn desarrolló la caldera de Lancashire de una caldera Cornish de Trevithick de un solo tiro. Era una caldera pirotubular. Hace mucho tiempo que se han dejado de usar y se cree que pocas existirán hoy en el mundo.
La caldera consistía básicamente de un cuerpo de acero grande, normalmente de 5 a 10 m de longitud, a través del cual pasan dos tubos de gran diámetro llamados tubos Hogar. Una parte de cada tubo estaba corrugado para soportar la expansión cuando la caldera se calienta y para evitar hundimiento del tubo Hogar bajo presión. El hogar está instalado en la entrada de cada tubo en el extremo delantero de la caldera. El hogar podía quemar gas, fuel-oil o carbón.
Los gases calientes de la combustión pasan del hogar a través de los tubos corrugados de gran diámetro. El agua de la caldera rodea estos tubos y este calor se transfiere al agua.
La caldera estaba fija en una estructura de ladrillos diseñada para mejorar la eficacia térmica.
Los gases calientes, con la temperatura algo reducida, (pero todavía bastante calientes), partían de la parte trasera de la caldera y se desviaban por debajo de la caldera a través de un conducto enladrillado transfiriendo el calor al agua a través del fondo del cuerpo de la caldera.
En la parte delantera de la caldera el flujo de gas caliente se dividía en dos y se desviaba para pasar por los laterales de la caldera por medio de dos conductos construidos de ladrillos.
Estos dos conductos laterales se encontraban en la parte trasera de la caldera y pasaban a la chimenea.
Estos pasos procuraban sacar la máxima cantidad de energía de los gases calientes antes de que saliesen a la atmósfera.
El flujo del gas, después del tercer paso, pasa a través del economizador en la chimenea. El economizador calienta el agua de alimentación, resultando en una mejora en la eficacia térmica.
Habían varios tamaños de caldera de Lancashire:
Para las calderas Lancashire de mayor tamaño se podía obtener una evaporación de unos 6 500 kg de vapor/h. Las más pequeñas tenían una evaporación de aproximadamente 1 500 – 2 000 kg de vapor/h.
La caldera Lancashire podría trabajarse a una presión de aproximadamente 17 bar r. Tenían un volumen grande de agua y de mucha energía retenida, por tanto podía afrontar con facilidad
demandas repentinas de vapor (como el arranque y parada de la maquinaria de minas).
Este gran volumen de agua también significó que no era tan crítico el control de nivel y de calidad del agua como en las calderas modernas.
Uno de las desventajas de la caldera Lancashire era el calentado y enfriado repetido de la caldera, con la resultante expansión y contracción, alterando la estructura de ladrillos y los tubos. Esto producía la infiltración de aire que perturbaba el tiro del hogar.
También, ahora serían muy caros de fabricar, debido a las grandes cantidades de materiales usados y la mano de obra necesaria para la construcción con ladrillos.
La introducción de la caldera pirotubular de multi-tubo (siendo más pequeña y más eficaz) hizo que desapareciera la caldera de tipo Lancashire.
Caldera económicaEs una mejora de la caldera Lancashire. Tiene un cuerpo exterior cilíndrico con dos tubos hogar de gran diámetro en los que están montados los hogares. Los gases calientes del tubo hogar pasan a la parte trasera de la caldera hasta una pared de ladrillos (cámara seca) y se desvía a través de varios tubos del pequeño diámetro colocados por encima del tubo hogar de gran diámetro. Estos tubos de pequeño diámetro presentan una superficie grande de calentamiento del agua. Los gases del tubo hogar pasan a la parte delantera de la caldera y luego a la chimenea con un ventilador que induce el tiro.
La caldera económica de doble circuito tiene sólo la mitad de tamaño que la equivalente caldera Lancashire y tiene mayor eficacia térmica.
Los tamaños de la caldera económica de doble circuito estaban comprendidos entre unos 3 m de longitud y 1,7 m de diámetro hasta unos 7 m de longitud y 4 m de diámetro.
La evaporación era de unos 1 000 kg/h de vapor hasta unos 15 000 kg/h de vapor. Un desarrollo más extenso de la caldera económica fue la creación de una caldera de cámara húmeda de tres pasos que es la configuración que usamos hoy en día. En la Figura 5 una caldera económica de tres pasos se muestra.
Los datos de transferencia de calor típicos para una caldera económica de tres circuitos y cámara húmeda pueden verse en la Tabla 1.
Tabla 1.
Caldera compacta.
La mejora de materiales y los procesos industriales significó que más tubos podían acomodarse dentro de la caldera. En el principio de su desarrollo la caldera básica era larga y requería una sala de calderas grande. Se fuerzan a los gases calientes para que pasen
adelante y atrás por una serie de tubos, las calderas se diseñaron para ser más cortas y se mejoró la tasa de transferencia de calor. La caldera compacta multi-tubo moderna es el último paso de este proceso evolutivo.
La caldera compacta se llama así porque viene como un paquete completo. Una vez colocada en su sitio sólo necesita las tuberías de vapor, agua y de purga de fondo, suministro de combustible y conexiones eléctricas para que pueda trabajar.
Estas calderas son clasificadas por el número de circuitos – el número de veces que los gases calientes de la combustión pasan a través de la caldera. La cámara de combustión se considera como el primer circuito. La caldera más común es una tres circuitos como la mostrada en la Figura 6 con dos juegos pirotubulares y la descarga de gases por el extremo de la parte trasera de la caldera.
Caldera de llama reversible.
Ésta es una variante de la caldera convencional. La cámara de combustión tiene forma de dedal y el quemador lanza la llama por el centro. La llama dobla atrás dentro de la cámara de la
combustión hacia el frente de la caldera. Los tubos de humos rodean al dedal y pasan los gases de la combustión a la parte trasera de la caldera y la chimenea.
Limitaciones de presión y producción de las calderas pirotubulares
Limitaciones de presión: Las tensiones que pueden imponerse en la caldera están limitadas por las Normativas. La tensión máxima estará alrededor de la circunferencia del cilindro. Se le llama tensión "de Circunferencia". El valor de esta tensión puede calcularse usando la ecuación:
Por tanto podemos deducir que la tensión aumenta si aumenta el diámetro. Para compensar esto, el fabricante de calderas usará una chapa más gruesa. Sin embargo, esta chapa más gruesa es más dura de curvar y puede necesitar eliminar las tensiones internas.
Uno de los problemas en la fabricación de una caldera es curvar la chapa del cuerpo. Las curvadoras, como muestran las Figuras 8 y 9, no pueden curvar los extremos de la chapa y, por tanto, estos quedan planos.
Cuando se sueldan las chapas y la caldera se presuriza, el cuerpo tendrá una sección transversal redonda. Cuando la caldera se para, los chapas volverán a la forma de cuando se curvaron. Esto puede causar grietas de fatiga que pueden presentarse a cierta distancia de
las soldaduras del cuerpo. Esto es un punto de preocupación para los inspectores de calderas, que periódicamente pedirán que se retire todo el aislamiento de la caldera y usarán una plantilla para determinar la exactitud de la curvatura del cuerpo de la caldera.
Este problema, obviamente, es de mayor preocupación para calderas que experimentan muchas paradas, paradas todas las noches y puestas en marcha todas las mañanas.
También debe tomarse en cuenta que la transferencia de calor a través de los tubos del hogar es por conducción, y esa chapa gruesa no conduce el calor tan rápidamente como la chapa fina.
Esto es importante en particular en el Tubo hogar donde la temperatura de la llama puede alcanzar los 1 800°C, y donde el calor tiene que ser transferido muy rápidamente para evitar que se sobrecaliente y se hunda el tubo hogar con los consecuentes efectos desastrosos. El límite práctico para el grosor del tubo hogar está entre 18 mm y 20 mm, significando un límite práctico de presión para las calderas pirotubulares de alrededor de 27 bar.
Limitaciones de producción.
Como se mencionó anteriormente, se fabrican calderas pirotubulares como unidades compactas con todo el equipo auxiliar en su lugar. La caldera necesita ahora que la transporten al lugar y la caldera más grande que se puede transportar por carretera es de alrededor de 27.000 kg/h.
Si se requieren más de 27.000 kg/h, entonces se usan instalaciones de varias calderas. Que tiene la ventaja de proporcionar mayor seguridad de suministro y mejora el rendimiento de la planta.
Calderas con presiones y rendimientos superiores a 27 bar r y 27 toneladas/h respectivamente, se fabrican de una manera diferente.
En este caso, el agua de la caldera se contiene y circula dentro de tubos, lo opuesto a la caldera pirotubular, donde los gases de la combustión circulan dentro de los tubos. A las calderas pirotubulares se les llama a menudo calderas con "tubos de humo", mientras que las calderas acuotubulares tienen mejores prestaciones para presiones y rendimientos superiores.
Las calderas acuotubulares difieren de las calderas pirotubulares en que el agua circula dentro de los tubos con la fuente de calor rodeandolos. Esto significa que pueden usarse presiones más altas porque el diámetro del tubo es significativamente más pequeño que el cuerpo en la caldera pirotubular, y por consiguiente la tensión circunferencial también es significativamente menor.
Las calderas acuotubulares suelen ser consideradas para altos rendimientos de vapor, para presiones altas o para vapor recalentado.
Para la mayoría de aplicaciones industriales y comerciales, una caldera pirotubular es a menudo la más apropiada. Sólo es necesario usar una caldera acuotubular si se requiere un rendimiento individual superior a 27.000 kg/h o presiones superiores a 27 bar o temperaturas
de vapor superiores a 340°C. La razón es que para un rendimiento dado, las calderas acuotubulares son de construcción más costosa que las calderas pirotubulares compactas.
Sin embargo, por todo el mundo, las calderas acuotubulares compiten con calderas pirotubulares para tamaños inferiores a 270 bar r. Para darnos una idea de la diversidad de calderas acuotubulares, las unidades varían entre aproximadamente 2.000 kg/h hasta las de
3.500.000 kg/h y superiores que impulsan las centrales eléctricas.
Las unidades más pequeñas pueden fabricarse y entregarse al sitio en una pieza. Las unidades más grandes generalmente se fabrican en secciones y se transportan al sitio para un ensamblaje final.
Las calderas acuotubulares trabajan con el principio de circulación de agua. Éste es un asunto que merece la pena estudiar antes de ver los diferentes tipos disponibles de calderas acuotubulares. El siguiente diagrama nos ayudará para explicar esta teoría.
El agua de alimentación fría se introduce en el calderín de vapor y baja por el tubo de bajada hasta el calderín de lodos, debido a que tiene una densidad superior a la del agua caliente. Su
densidad disminuye cuando pasa por el tubo de subida, donde se calienta formando burbujas de vapor. El agua caliente y las burbujas de vapor pasan al calderín de vapor una vez más,
donde el vapor se separa del agua.
Sin embargo, cuando la presión en la caldera acuotubular aumenta, se reduce la diferencia entre la densidad del agua y el vapor saturado, por consiguiente hay menos circulación. Para
mantener el mismo nivel de rendimiento de vapor según aumenta la demanda de presión, debe aumentarse la distancia entre el calderín más bajo y el calderín de vapor.
Distribuciones alternativas de calderas acuotubular.
Las siguientes disposiciones trabajan con los mismos principios que otras calderas acuotubulares y están disponibles con capacidades de 5.000 kg/h a 180.000 kg/h.
Caldera con calderín longitudinal.
La caldera con calderín longitudinal era el modelo original de la caldera acuotubular que trabaja con el principio de temperatura y densidad de agua (ver la Figura 12).
El agua de alimentación fría entra en un calderín colocado longitudinalmente sobre la fuente de calor. El agua fría baja por una tubería de circulación por la parte trasera a unos tubos
inclinados que son calentados. Según aumenta la temperatura de agua y hierve, su densidad disminuye haciendo que circule el agua caliente y el vapor por las tuberías inclinadas de la tubería de circulación delantera entrando de nuevo al calderín. En el calderín, las burbujas de vapor se separan del agua produciendo el vapor para la planta.
Las capacidades típicas para las calderas con calderín longitudinal van de 2.250 kg/h a 36.000 kg/h.
Caldera con calderín cruzado.
La caldera con calderín cruzado es una variante de la caldera con calderín longitudinal en la que el calderín se pone cruzado a la fuente de calor como muestra la Figura 13. El calderín cruzado funciona con el mismo principio que la del calderín longitudinal sólo que logra una temperatura más uniforme en el calderín. Sin embargo hay el riesgo de daños debido a la circulación defectuosa con demandas altas de vapor, ya que pueden haber corrosión en los tubos superiores si se secan.
La caldera con calderín cruzado también tiene la ventaja de poder utilizar un número mayor de tubos inclinados debido a su posición cruzada. Las capacidades típicas para una caldera de calderín cruzado van de 700 kg/h a 240 000 kg/h.
Caldera con tubos curvados o Stirling.
Una mayor evolución de la caldera acuotubular fue la caldera de tubos curvados o Stirling, mostrada en la Figura 14. De nuevo trabaja con el principio de la temperatura y densidad de agua, pero utiliza cuatro calderines en la siguiente configuración.
El agua de alimentación fría entra en el calderín izquierdo superior, y baja hacia el más bajo, o calderín de agua, debido a una mayor densidad. El agua se calienta dentro del calderín de agua y las tuberías que une a los otros dos calderines superiores y se producen las burbujas de vapor que suben a los calderines superiores produciendo el vapor para la planta.
El tubo curvado o la caldera de Stirling permite una superficie grande para la transferencia de calor y estimula la circulación natural del agua.
Vapor sobrecalentado.
El vapor producido a la salida de una caldera pirotubular o del calderín de vapor de una caldera acuotubular sólo puede ser vapor saturado. La caldera acuotubular se usa a menudo para
producir vapor sobrecalentado pasando el vapor saturado del calderín de vapor a través de otro juego de tubos dentro del área del hogar principal, donde se calienta más allá de su temperatura de saturación convirtiéndolo en vapor sobrecalentado.
Donde se requiere vapor sobrecalentado es esencial tener una caldera que tenga tubos para el sobrecalentado.
Régimen de la caldera.
Los tres tipos de regímenes de la caldera usados normalmente son:
El régimen usado ampliamente por los fabricantes de calderas pirotubulares es el "desde y hasta" que proporciona un régimen que muestra la cantidad de vapor en kg/h que la caldera puede crear "desde y hasta 100°C" a presión atmosférica. Cada kilogramo de vapor habría recibido 2 258 kJ de calor en la caldera.
Hay calderas que trabajan con temperaturas del agua de alimentación inferiores a 100°C. Por consiguiente la caldera tiene que proporcionar la entalpía para que el agua alcance el punto de ebullición. La mayoría de las calderas trabajan a presiones superiores a la atmosférica, por
tanto la temperatura de la caldera será superior a 100°C. Esto requiere entalpía adicional de saturación del agua. Cuando aumenta la presión de la caldera, la temperatura de saturación aumenta y necesita más entalpía antes de que el agua de alimentación alcance la temperatura
de ebullición. Estos dos efectos reducen la producción real de vapor en la caldera ya que hay menos combustible disponible para producir vapor. En el gráfico de la Figura 15 están trazadas las temperaturas del agua de alimentación respecto a la cifra de porcentaje de "desde y
hasta" para trabajar a presiones de 0, 5, 10 y 15 bar r.
Ejemplo.
Se puede ver el uso del gráfico "desde y hasta", figura 15, en el siguiente ejemplo que demuestra como se calcula el rendimiento real de una caldera.
Una caldera tiene un régimen "desde y hasta" de 2 000 kg/h y trabaja a 15 bar r mientras que la temperatura del agua de alimentación es de 68°C.
Usando el gráfico,
El uso de la siguiente ecuación dará un factor que nos dará el mismo resultado…
A = Entalpía específica de evaporación a presión atmosférica.
B = Entalpía específica del vapor a la presión de trabajo.
C = Entalpía específica del agua a la temperatura del agua de alimentación.
Por consiguiente;
Usando la información anterior en esta ecuación nos dará el siguiente factor:
Rendimiento de la caldera = 2 000 kg/h x 0,899 = 1 799 kg/h.
Potencia en kW.
Algunos fabricantes darán la potencia de la caldera en kW. Para establecer el caudal evaporado, es necesario saber el calor que contiene el agua de alimentación y la entalpía total del vapor producido para establecer cuánta energía se agregará a cada kg de agua.
Por ejemplo, una caldera de 3 000 kW, trabaja a 10 bar r con una temperatura del agua de alimentación de 50°C.
Una temperatura del agua de alimentación de 50°C significa una entalpía específica del agua de 209,5 kJ/kg. El vapor a 10 bar r requiere 2.781,7 kJ/kg de calor. Por tanto, el combustible de la caldera necesita transferir 2.781,7 – 209,5 = 2.572,2 kJ/kg al agua para darnos este resultado.
Producción en kg/h de vapor
Esta unidad sólo se usa en el EE.UU., Australia y Nueva Zelanda.
Un caballo de potencia de caldera NO es 550 ft.lb minuto y NO SE PUEDE APLICAR el factor de la conversión generalmente aceptado de 746 Vatios = 1 caballo de potencia.
En Nueva Zelanda el BoHP es una función del área de transferencia de calor en la caldera, y un BoHP está relacionado con 17 ft⠤e superficie calorífica.
Por ejemplo, una caldera con una área de transferencia de calor de 2.500 pies cuadrados tendría el siguiente BoHP;
En EE.UU. y Australia la definición más aceptada es de la cantidad de energía necesaria para evaporar 34,5 lb de agua a 212°F condiciones atmosféricas.
Por ejemplo, una caldera capaz de producir 17.250 lb/h de vapor tendría el siguiente BoHP;
Recuerde que esto es esencialmente igual que un régimen "desde y hasta", así que usando agua de alimentación a temperaturas más bajas y vapor a presiones más altas, se reducirá la cantidad de vapor generado.
En la práctica, una cifra entre 28 – 30 lbs/h sería más realista y tendrían en cuenta la presión de vapor y la temperatura media del agua de alimentación. Un resultado más real sería entonces;
que nos daría una caldera mayor para producir los mismos 17.250 lb / h.
Eficiencia y carga de la caldera.
Las calderas y los quemadores deben diseñarse para un funcionamiento eficaz, y deben estar correctamente dimensionados.
Una caldera que tiene que cubrir con una carga puntual superior al rango máximo trabajará con una eficacia reducida. La presión puede caer produciendo arrastres que harán que la caldera sea incapaz de proporcionar el vapor de buena calidad que se precisa.
Si una caldera tiene que trabajar con un porcentaje pequeño de su régimen, entonces las pérdidas por radiación pueden ser significantes y de nuevo hay una caída en eficacia global. No es fácil igualar la producción de la caldera a una demanda de vapor variable. Dos o más calderas son más flexibles que una sola unidad y esto explica la disposición típica de una caldera más grande para la carga del invierno y una caldera pequeña para la carga de verano.
Eficiencia de la combustión.
La caldera es sólo parte de una instalación. Es tan importante como tener el quemador que responda a la carga y mantenga la correcta proporción de combustible / aire. Éste es un tema muy amplio y si hay cualquier duda se debe consultar a los proveedores de calderas y equipos de combustión.
Las mayores pérdidas en una caldera se detectarán en los gases calientes descargados por la chimenea. Si la combustión es buena, habrá sólo una pequeña cantidad de exceso de aire. Los gases de la combustión contendrán un porcentaje relativamente grande de dióxido de carbono y sólo una cantidad pequeña de oxígeno.
También, si las superficies caloríficas están limpias, se extraerá un porcentaje alto de calor y la temperatura de los gases de la combustión será baja.
Si la combustión es pobre, con mucho exceso de aire, entonces aumentará el peso de los gases de la combustión que contendrán un porcentaje reducido de dióxido del carbono y la cantidad superior de oxígeno. Si la velocidad de combustión es alta o las superficies caloríficas están sucias, no será posible extraer un porcentaje alto de calor y la temperatura de los gases de la combustión aumentará.
La medida del dióxido de carbono o oxígeno en los gases de combustión, junto con la temperatura, permite calcular las pérdidas de los gases de combustión. Éste es el método normal de supervisar eficazmente la caldera y debe hacerse correctamente y con frecuencia bajo todas las condiciones de carga de la caldera.
Una planta grande normalmente justificará una medición y control en continuo para aumentar la eficacia. La caldera está para proporcionar vapor seco de buena calidad a la presión correcta.
Puede haber un momento breve mientras se consigue una buena eficacia de la combustión en que pueda haber un suministro de vapor que contenga bastante agua y productos de tratamiento de agua.
Las calderas están diseñadas para trabajar a presiones relativamente altas. Esto significa que se desprenderán pequeñas burbujas de vapor a la superficie del agua que proporcionarán vapor seco de buena calidad. Si se permite que caiga la presión, por cualquier razón, entonces el tamaño de las burbujas aumentará y se producirán turbulencias y arrastres. Por esta razón, las calderas deben trabajar a la presión correcta.
Un método adicional de eficacia para las calderas se realiza con el uso de un economizador.
Un economizador es un dispositivo que se pone en el punto donde se descargan a atmósfera los gases calientes de la caldera (Figura 16). Ya que estos gases están todavía calientes, se pueden utilizar para calentar el agua de alimentación que entra en la caldera, pasando el agua de alimentación a través del economizador antes de que alcance la caldera. Los economizadores no son convenientes para las calderas con controles del nivel todo-nada.
La eficiencia comienza en el tanque de agua de alimentación de la caldera.
Puesto que el tanque de alimentación está caliente, se debe procurar minimizar las pérdidas de calor. Las mayores pérdidas tendrán lugar en la superficie del agua, por tanto es esencial alguna forma de tapa.
Una alternativa es cubrir la superficie con una manta flotante de pelotas de plástico. Aparte de evitar que se pierda calor, se ha demostrado que este tipo de manta reduce la absorción de oxígeno por el agua. Revestir con aislante el tanque proporcionará un ahorro adicional y reducirá la temperatura ambiente de la sala de calderas.
El tipo más eficaz de tanque de agua de alimentación atmosférico es el tanque "semi-desaireador" que incorpora muchos detalles para aumentar la capacidad de calentamiento, mezclando eficazmente el condensado caliente, el revaporizado y el agua fría de aportación reduciendo considerablemente la estratificación de temperatura en el tanque.
Otra manera de aumentar eficacia de sala de calderas es recuperar el calor perdido por la purga de sales. Esto se logra en el tanque de alimentación vía un sistema de la recuperación y se explica en detalle en la guía de la referencia técnica "Tratamiento de agua, almacenamiento y purga de fondo".
Hay varios accesorios que deben instalarse en las calderas de vapor, todos con el objetivo de mejorar:
A continuación explicaremos algunos de los accesorios importantes de la caldera, junto con la legislación asociada.
Placa de instalación.
En la última la mitad del siglo XIX, las explosiones en calderas de vapor eran bastante comunes. A consecuencia de esto, se formó una compañía en Manchester con el objetivo de reducir el número de explosiones sometiendo las calderas de vapor a un examen independiente. Esta compañía era el principio de la actual Federación de Seguridad (SAFed), el organismo cuya aprobación se requiere en el Reino Unido para los accesorios y controles de caldera.
Después de un periodo comparativamente corto, sólo ocho de 11 000 calderas examinadas explotaron. Esto comparado con las 260 explosiones de calderas que ocurrieron en calderas que no fueron examinadas por esta compañía.
Este éxito conllevó a la ley sobre explosiones de calderas de 1882 qué incluyó la necesidad de una placa de instalación de caldera. Un ejemplo de una placa de instalación de caldera se muestra en la Figura 17.
El número de serie y modelo identifican a la caldera y se utilizan para pedir recambios al fabricante y para el registro de la caldera.
La cifra de producción 'output' puede expresarse de diversas maneras, como se ha dicho anteriormente.
Válvulas de seguridad.
Uno de los accesorios importantes de la caldera es la válvula de seguridad. Su función es proteger el cuerpo de la caldera de sobrepresión y evitar que explosione. La normativa BS 6759 (ISO 4126) trata de las válvulas de seguridad en calderas de vapor, y BS 2790 (8.1) trata de a las especificaciones del diseño y fabricación de calderas pirotubulares de construcción soldada.
Hay muchos tipos diferentes de válvulas de seguridad instaladas en la planta de la caldera, todas deben cumplir el siguiente criterio:
Normativas de válvulas de seguridad.
Calderas con una capacidad de evaporación superior a 3 700 kg/h tendrán instaladas como mínimo una válvula de seguridad o una válvula de seguridad doble (dos válvulas con una válvula de conmutación), dependiendo del rendimiento de la caldera. Ver BS 2790 (8.1) para más detalles.
Las tuberías de descarga de la válvula de seguridad no deben tener obstrucciones y deben drenar libremente para asegurar que el condensado no se pueda acumular.
Válvulas de interrupción para calderas.
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