Las calderas son aparatos en los que se entrega energía térmica al agua, con el fin de producir vapor a determinada temperatura y presión. En nuestra región, encontramos principalmente calderas piro-tubulares o humo-tubulares; seguido, describiremos sus características generales.
Calderas piro-tubulares
Siguiendo este circuito, los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70° Celsius, de forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera.
La caja de humos (colector de humos), es la parte de la caldera donde confluyen los gases de la combustión en su recorrido final, que mediante un tramo de conexión se conducen a la chimenea.
A través de su recorrido el humo, cede gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de esta y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta vaporización parcial del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y su visualización en el manómetro.
Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas ; son de construcción sencilla y disponen de moderada superficie de intercambio, por lo no se utilizan para elevadas producciones de vapor.
Son en compensación, muy económicos en costo y de instalación sencilla, por lo que su utilización actual primordial es para calefacción y producción de vapor para usos industriales.
Sistemas que intervienen
Los sistemas que intervienen en las calderas son:
Combustibles: es el elemento que mediante un proceso de combustión entrega energía térmica, los mismos puedes ser sólidos (leña, chips, carbón, etc.), líquidos (fuel oíl, gas oíl) y gas (GLp).
En las calderas donde los combustibles son líquidos o gases, se debe tener un quemador, encargado de inyectar el combustible para favorecer y controlar la combustión.
Agua: es el elemento que recibe calor y se transforma en vapor, para que la caldera funcione en forma correcta esta agua debe ser tratada para no dañar los tubos en el proceso de intercambio de calor.
También debemos tener en cuenta que esta agua alimenta a las calderas por medio de bombas, las cuales deben cumplir con la condición de ser capaces de entregar una presión 1,5 veces la presión de trabajo de la caldera para asegurar la correcta alimentación en todo momento.
El agua absorbe más calor a una determinada temperatura que cualquier otra sustancia inorgánica. Se expande 1600 veces a medida que se evapora para formar vapor a presión atmosférica. El vapor es capaz de almacenar gran cantidad de calor. Estás propiedades únicas en el agua la convierten en la materia prima ideal para procesos de generación energía.
Todo tipo de agua procedente de una fuente natural presenta cierta cantidad de materia disuelta o suspendida, así como gases disueltos. La proporción de minerales disueltos en el agua puede variar desde 30 g/L para el agua de mar hasta 0.005 – 1500 mg/L en agua superficial. Se debe tomar un especial cuidado en el agua que se va a emplear para la generación de vapor ya que las impurezas presentes en ella pueden provocar graves problemas en la caldera.
La composición del agua que se alimenta a la caldera debe ser tal que las impurezas presentes en la misma se puedan concentrar un número razonable de veces dentro del sistema sin que por ello se superen los límites permitidos por el fabricante. Si el agua no cumple este requisito será necesario tratarla para eliminar todas las impurezas antes de utilizarla. Actualmente se están utilizando tratamientos químicos dentro de la caldera para evitar estos problemas los cuales están resultando una solución efectiva a la par que económica
La pureza del agua de alimentación depende tanto de la cantidad de impurezas como de la naturaleza de las mismas: la presencia de dureza, hierro y silice son más importantes por ejemplo que la presencia de sales de sodio. La pureza requerida depende tanto de la cantidad de agua de alimentación se vaya a utilizar como del diseño particular de la caldera (presión de trabajo, grado de transferencia de calor, etc. que puede soportar). Por lo que los requisitos del agua de alimentación pueden variar mucho. Una caldera de baja presión con el agua por fuera de los tubos puede soportar valores de dureza más elevados que una de alta presión, siempre que se utilice un tratamiento adecuado.
Los niveles de álcali, sales, sílice y fosfatos pueden ser más amplios aunque siempre dependiendo de la presión de trabajo. En la actualidad, los valores máximos los establece el fabricante de acuerdo con las características de la caldera.
Aire: encargado de producir la combustión y transportar los gases de la misma, existen calderas donde el aire circula e forma natural por medio de la depresión que se produce en las chimeneas, lo que posibilita la circulación y otras donde el aire es forzado a circular por medio de ventiladores.
Vapor: es el producto que se obtiene en las calderas y de acuerdo a las características de las mismas, posee determinada presión y temperatura de acuerdo al proceso que posibilita.
Estructura: todo el soporte que posibilita la generación, véase, hogar, cilindro de presión, soportes de cilindros, tubos de transferencia de calor, chimeneas, caja de humos, refractarios, aislantes y válvulas.
Accesorios:
- Indicadores y controladores de nivel de agua:
- Tubos de nivel de agua
- Llaves de prueba
- Controlador de nivel tipo Magnetrol
- Indicadores de presión:
- Manómetro
- Analizadores de gases de la combustión (solo en las más modernas):
- Indicador de Co2
- Indicador de Co
- Indicador de O2
- Indicadores de temperatura:
- Termómetros
- Disco de ruptura
- Indicadores de producción de vapor
- Indicadores de consumo de combustible
- Indicadores de consumo de agua
- Ventilador forzador (calderas de tiro forzado)
- Tablero eléctrico de comando y señalización
- Válvulas de seguridad
Cabe destacar, que al hablar de válvulas de seguridad nos referimos a aquel elemento que se utiliza con el fin de evitar que la caldera sobrepase la presión marcada. Las válvulas se caracterizan por tener una apertura muy rápida y completa, la cual no es proporcional al aumento de la presión. Generalmente, se tratan de válvulas de resorte y tienen un mecanismo de apertura manual con el fin de que se realicen pruebas)
Sistema de combustibles
El elemento principal de un sistema de alimentación de combustible (líquido o gas) es el quemador: un dispositivo que permite introducir diferentes tipos de combustibles dentro del hogar, en las proporciones de velocidad y turbulencias que se deseen. El objetivo es establecer y mantener tanto la ignición como la combustión de manera apropiada con la supervisión del operador de calderas.
Existen distintos tipos tales como:
Quemadores de combustible líquido
Son los más utilizados en la actualidad y su manejo es sencillo. Regularmente, trabajan con petróleo, fuel – oíl, parafina, etc. y constan de un atomizador, un registro de aire natural (o mecánico) y válvulas o conexiones necesarias.
a) Los atomizadores, llamados corrientemente y por error «quemador», son diferentes. Su función es pulverizar finamente el petróleo. En este sentido, le corresponde al atomizador recibir el combustible a la presión normal de operación y transformar esta presión en alta velocidad.
El atomizador está compuesto por tres partes: el cuerpo con el adaptador, el filtro y la tobera
b) El registro de aire tiene por otra parte la función de descargar al fogón el aire necesario para la combustión del petróleo y distribuir el aire de tal manera que éste se mezcle íntimamente con el combustible descargado por el atomizador. En ciertos casos el registro de aire se usa para conseguir la función secundaria de controlar la cantidad y velocidad del aire que entra al fogón. Los registros de aire pueden ser de forma cónica o cilíndrica.
Quemadores a gas
Tipos de gases para combustible convencionales:
Butano: es un gas hidrocarburico que se extrae del petróleo, incoloro e inodoro. Se le suele añadir un odorizante (normalmente mercaptano) lo que hace que tenga olor fuerte, aunque es conveniente para detectar una fuga del butano, ya que es altamente explosivo. Se usa en poca cantidad, ya que se emplean bombonas para su transporte.
Propano: es un gas hidrocarburo que se extrae del petróleo, incoloro e inodoro, con llama azul, puede ser explosivo al mezclarse con el aire, y es inerte con la mayoría de los reactivos, menos el bromo con luz. Tiene el punto de ebullición más bajo que el butano, pero tiene mayor poder energético, pudiendo mezclarse con él o sustituirlo.
Gas natural: Mezcla de gases combustibles provenientes de formaciones geológicas. Es el combustible gaseoso menos contaminante.
Otros gases combustibles: hidrógeno (a partir del electrólisis de agua), gas de alumbrado (o gas ciudad), y gas de agua.
Quemadores combustible solido
En las de combustibles sólidos (carbón o, actualmente, biomasa), el hogar consta de dos compartimentos superpuestos, cada uno con su portilla correspondiente. En el superior, brasero, se coloca el combustible sobre una parrilla. El inferior, cenicero, recibe las cenizas del combustible. Por la portilla de éste entra el aire necesario para la combustión y los humos salen por un conducto (chimenea) vertical, que parte desde el brasero. El propio tiro térmico crea en el hogar una falta de presión que aspira el aire necesario para la combustión; la cantidad de aire puede regularse abriendo la portilla del cenicero; a menudo esta portilla tiene unos orificios que pueden abrirse o cerrarse a voluntad mediante una mariposa. La combustión es continua, no hay paradas desde que se enciende hasta que se apaga por falta de combustible, y la regulación de la potencia se hace abriendo o cerrando la entrada del aire.
En general las calderas de combustible sólido, sea carbón o pellas de madera, emiten el aire exterior gran cantidad de partículas (hollines) contaminantes, por lo que no son recomendables
Las calderas a base de combustible sólido suelen ser engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas y suciedad que generan y el difícil control de la combustión
Accesorios de control automáticos
Muchos equipos generadores de vapor disponen de controles automáticos con el objeto de regularizar el funcionamiento de las calderas y contribuir a la labor del operador. En ningún caso los accesorios de control automáticos reemplazan al Operador de caldera.
Tampoco pueden considerarse como accesorios de seguridad, ya que no lo son. Estos controles automáticos deben ser revisados periódicamente por personal especializado, para obtener de ellos un correcto funcionamiento. Debe recordarse que su operación es sensible y complicada, susceptible de fallas imprevistas.
En general estos funcionan en base a la dilatación de un metal, o aleación de metales, ya sea por efecto del calor o la presión o en base a la luz o al nivel del agua. En general hace que se conecte o desconecte un circuito eléctrico, controlando automáticamente (sin la intervención del operador de la caldera) ya sea, la presión, la temperatura o cualquier otra variable.
Algunos de los controles automáticos más comúnmente usados en los equipos generadores de vapor son:
Control de presión o presostatos
Son accesorios que funcionan en base a la máxima y mínima presión de trabajo del vapor de la caldera. Actúan sobre el quemador, apagándolo al llegar a la máxima presión para la cual fue regulado y encendiéndolo al alcanzar la mínima presión deseada del vapor.
Control de temperaturas o termostatos
Son accesorios que funcionan de acuerdo a la temperatura del agua, vapor o gases de la combustión. Apagan el quemador cuando se obtiene la máxima temperatura deseada y lo encienden cuando se ha llegado a la mínima temperatura para la cual fue regulado.
Control de nivel de agua (magnetrol)
Los controles de nivel de agua funcionan por medio, de un flotador, que al llegar el agua al nivel máximo corta la comente de la bomba de alimentación de agua. Al bajar el agua a su nivel mínimo de trabajo, vuelve a conectar la bomba. SÍ en este último caso la bomba no respondiera a la puesta en marcha y el nivel continuara bajando, este control generalmente está provisto de una tercera posición, en la cual corta la corriente al quemador.
Control de la llama
Mediante una celda fotoeléctrica se controla la llama (su largo) impidiendo la alimentación de combustible en caso que ésta no exista en el hogar.
Control del encendido (chispa)
Por medio de este control se impide que salga combustible sin que exista la chispa para encenderlo.
Otros accesorios importantes son:
Accesorios de limpieza
Sirven para limpiar el interior de la caldera, tanto por el lado de los gases como por el lado del agua.
Puertas de inspección
Según sus dimensiones se llaman puertas de hombre o tapas de registro- Estas últimas sólo permiten el paso de un brazo. Ambas puertas sirven para efectuar limpiezas o inspecciones en el interior de los colectores principales o de los tubos según sea su ubicación.
Válvulas de purga
a) Válvulas de extracción de fondo: Van ubicadas en las partes más bajas de la caldera y sirven para extraer los lodos o barros provenientes de la vaporización de aguas duras y acción del uso de desincrustantes. También se usan para vaciar las calderas. Estas llaves se deben abrir totalmente y dejar libre toda la sección de la cañería de descarga.
b) Válvulas de extracción de superficie: Algunas calderas tienen también a la altura del nivel de agua, dentro de la cámara de alimentación, una llave llamada «de extracción de superficie» para botar algunas impurezas livianas.
Sopladores de hollín – limpia tubos mecánicos
El hollín se acumula sobre las partes expuestas a los gases de la combustión. Como el hollín tiene un alto poder aislante del calor, se hace necesario evitar que se adhiera a los tubos de la caldera. Esto se consigue limpiándolos con sopladores de hollín, limpia tubos mecánicos o bien, herramientas manuales como cepillos de acero.
Los sopladores de hollín están instalados permanentemente en la caldera y permiten que aquellas partes de suficiente calefacción sometidas a la acumulación de hollín puedan limpiarse con chorros de vapor, aire o una mezcla de aire – vapor.
Los limpia tubos mecánicos pueden ser rastrillos, escariadores, barrotes y escobilla limpiatubos.
Mantenimiento preventivo
a) Lavado y limpieza con grasa de todas las superficies metálicas del lado del agua (tubos).
b) Limpieza de todos los muros del hogar, tubos, ductos, bafles, reemplazo o reparación de la mampostería o de los conductos dañados.
c) Reacondicionar todas las válvulas de operación o reemplazarla si es necesario.
d) Limpieza y ajuste de los registros de aire y las compuertas para asegurar las condiciones de operación adecuadas.
f) Limpieza y reparación (de ser necesario), del nivel del agua, los reguladores de alimentación e inyectores. Chequeo de los mismos al finalizar el mantenimiento.
g) Limpieza y calibración de los controles automáticos (reemplazar en caso de que sea necesario).
h) Limpieza de válvula de purga y cámara de lodos.
e) Desmantelación de las bombas de alimentación e inspección de las válvulas, cojinetes, alabes y todas las partes que trabajan para asegurar una operación confiable.
Mantenimiento mensual recomendado
a) Limpieza de los controladores eléctricos y revisión de los contactos de los arrancadores.
b) Limpieza del filtro del combustible con la frecuencia que exija el fabricante.
d) Vaciado del tanque de alimentación de la caldera (tanque de condensados).
c) Limpieza de los filtros de agua de alimentación de la caldera.
e) Engrase de los motores (si llevan graseras).
f) Revisión de los empaques de la bomba de alimentación.
h) Revisión del electrodo del encendido, del aislamiento para corroborar su buen estado y limpieza del conjunto.
g) Desmonte del conjunto de la boquilla. Revisión del empaque de caucho interior de la boquilla y reemplazo del mismo si está desgastado.
Reglamentaciones
Si bien en nuestra zona, NEA, actualmente no existe una reglamentación específica sobre el uso de aparatos a presión, a nivel nacional, el INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) esta trabajando sobre su reglamentación. En provincias como Córdoba y Santa Fe, por ejemplo, ya rigen estas reglamentaciones.
Mantenimiento general
En S.E.I., realizamos las siguientes tareas de mantenimiento a las calderas industriales. Clic aquí.
Bibliografía Prado Herrera, H. F. & Rojas Collazos (s.f.) «Manual de mantenimiento para calderas piro tubulares». CEEMA (s.f.) «Manual maestría en eficiencia energética».
