CALDERAS O GENERADORES DE VAPOR

INTRODUCCION

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura)

y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa en el nuestro.

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por Kw. de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi"humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan

por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.

DEFINICIONES:

CALDERA: recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción de calor.

GENERADOR DE VAPOR: es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a temperatura y presión diferenta al de la atmósfera.

MANOMETRO: el instrumento destinado a medir la presión efectiva producida por el vapor en el interior de la caldera.

OBJETIVOS

Las calderas o generadores a vapor son equipos cuyo objetivo es:

*Generar agua caliente para calefacción y uso general, o

*Generar vapor para planta de fuerza, procesos industriales o calefacción.

FUNCIONAMIENTO

Funcionan mediante la transferencia de calor, producida generalmente al quemarse un combustible, al agua contenida o circulando dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:

*Zona de liberación de calor o cámara de combustión: es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.

-Interior: la cámara de combustión se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.

-Exterior: cámara de combustión constituida fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.

La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama-agua).

*Zona de tubos: es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por conveccion (gases-aguas). Esta constitutita por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.

Accesorios para el funcionamiento seguro

Las calderas deben poseer una serie de accesorios que permitan su utilización en forma segura, los que son:

• Accesorios de observación: dos indicadores de nivel de agua y uno o más manómetros. En el caso de los manómetros estos deberán indicar con una línea roja indeleble la presión máxima de la caldera.

• Accesorios de seguridad: válvula de seguridad, sistema de alarma, sellos o puertas de alivio de sobre presión en el hogar y tapón fusible (en algunos casos). El sistema de alarma, acústica o visual, se debe activar cuando el nivel de agua llegue al mínimo, y además deberá detener el sistema de combustión.

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

Cámara de agua:

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.

El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.

Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua.

Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua.

Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción.

Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.

Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción.

Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.

Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

Cámara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

CLASIFICACIONES:

Existen varias formas de clasificación de calderas, entre las que se pueden señalar:

1.-Según la presión de trabajo:

• Baja presión : de 0 - 2.5 Kg./cm2

• Media presión : de 2.5 - 10 Kg./cm2

• Alta presión : de 10 - 220 Kg./cm2

• Supercríticas : mas de 220 Kg./cm2.

2.-Según se generación:

• De agua caliente

• De vapor: -saturado (humedo o seco)

• -recalentado.

3.-Según la circulación de agua dentro de la caldera:

• Circulación natural: el agua se mueve por efecto térmico

• Circulación forzada: el agua se hace circular mediante bombas.

4.-Según la circulación del agua y los gases calientes en la zona de tubos de las calderas. Según esto se tienen 2 tipos generales de calderas:

Pirotubulares o de tubos de humo.

En estas caderas los humos pasan por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea.

Acuotubulares o de tubos de agua.

El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura, se usa en plantas térmicas para generar potencia mediante turbinas.

CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE CALDERAS PIROTUBULARES

Básicamente son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de forma cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior circulan los gases de combustión.

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

Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso se les instala un estanque de expansión 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.

Entre sus características se pueden mencionar:

• Sencillez de construcción.

• Facilidad de inspección, reparación y limpieza.

• Gran peso.

• Lenta puesta en marcha.

• Gran peligro en caso de explosión o ruptura debido al gran volumen de agua almacenada.

CALDERA PIROTUBULAR

CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LAS CALDERAS ACUOTUBULARES

Se componen por uno o más cilindros que almacenan el agua y vapor (colectores) unidos por tubos de pequeño diámetro por cuyo interior circula el agua.

Estas calderas son apropiadas cuando el requerimiento de vapor, en cantidad y calidad son altos.

Se construyen para capacidades mayores a 5.000 Kg./h de vapor (5 ton/h) con valores máximos en la actualidad de 2.000 ton/h. Permiten obtener vapor a temperaturas del orden de 550º C y presiones de 200kg/cm2 o más.

CALDERAS ACUOTUBULARES

Partes principales que componen una caldera:

1.- HOGAR: Fogón o caja de fuego y corresponde a la parte en que se quema el combustible. Se divide en puerta del hogar y cenicero

Las calderas pueden instalarse con Hogares para combustibles sólidos, líquidos o gaseosos, todo dependerá del proyecto del equipo y de la selección del combustible a utilizar.

2.- Emparrillado: tiene por objeto servir de sostén al lecho de combustible y permitir el paso del aire para la combustión.

3.- Altar: Es un muro de ladrillo refractario que descanse en una estructura metálica que va a continuación de la parrilla.

4.- Conductos de humo: es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos o los gases calientes que se han producido en la combustión.

5.- Cajas de humo: Corresponde al espacio de la caldera que desempeña la función de caja colectora de los humos después de haber pasado por todos los conductos antes de salir por la chimenea.

6.- Chimenea: sirve para dar la salida a los gases de la combustión, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios y molestias al vecindario.

También para producir el tiro necesario para que la combustión se efectuara en buenas condiciones y en modo continúo.

7.- Mampostería: Construcción de ladrillo refractarios y ladrillos comunes que tienen como objeto cubrir la caldera para evitar desprendimiento de calor al exterior.

8.- Cámara de agua: Volumen de la caldera que esta ocupada por el agua y tiene como limite inferior un cierto nivel mínimo, del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento.

9.- Cámara de vapor: Es aquella parte de la caldera que queda sobre el nivel superior del agua (volumen ocupado por el vapor considerando el nivel máximo admisible de agua).

10.- Cámara de alimentación de agua: Es el espacio comprendido entre los niveles máximos y mínimos del agua.

11.- Tapas de registro de inspección o lavado: tapas que tienen por objeto permitir inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas si es necesario para extraer, en forma mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas.

12.- Puertas de hombre: puertas cuya tamaño es suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente una caldera y limpiarla si es necesario (pueden tener una o mas puertas de hombre según su tamaño y del equipo)

RIESGOS DE UNA CALDERA:

1.- Aumento súbito de la presión:

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 cámara de combustión.

2.-Descenso rápido de la presión:

Se debe al descuido del operador en la alimentación del fuego.

3.-Descenso excesivo del nivel de agua:

Es la falla mas grave que se puede presentar. Si este nivel no ha descendido mas allá del limite permitido y visible , bastará con alimentar rápidamente, pero si el nivel ha bajado demasiado y no es visible, en el tubo de nivel, deberá considerarse seca la caldera y proceder a quitar el fuego, cerrar el consumo de vapor y dejarla enfriar lentamente. Antes de encenderla nuevamente, se deberá inspeccionarla en forma completa y detenida.

4.-Explosiones:

Las explosiones de las calderas son desastres de gravedad extrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto número 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.

Estos accidentes desgraciadamente frecuentes, han sido atribuidos durante mucho tiempo a causas excepcionales y fuerza del alcanza de la prevención, es decir, se les ha considerado como caso de fuerza mayor.

El estudio de las causas de las explosiones he permitido determinar que estas se deben a:

• Construcción defectuosa

• Falla de los accesorios de seguridad, válvula de seguridad que no habrán 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 mas frecuente )

• Incrustaciones masivas o desprendimiento de planchones.

Cuando el nivel de agua baja, deja al descubierto las planchas, que estando en contacto con el calor de la combustion se recalientan al rojo. Al recalentarse estas pierden gran parte de su resistencia, el vapor se produce en menor cantidad por la disminución de la superficie de calefacción.

Las incrustaciones actúan como aislante dejando las planchas de la caldera sometidas a calor y sin contacto con el agua. De esta manera se van recalentando y perdiendo su resistencia hasta que no son capaces de resistir la presión y se produce la explosión.

MEDIDAS DE PREVENCION

Procedimiento de trabajo seguro en la manipulación y operación de calderas:

1.-Los operadores de caldera solo podrán hacer abandono de la sala al término de su turno. En caso de que alguno requiera ausentarse solo será con previo aviso y autorización del jefe directo.

2.-Los operadores deberán tener una observación permanente del funcionamiento de las calderas. Para ello deberán ubicarse en tal posición de no perder de vista los controles y elementos de observación, tales como el nivel del agua y manómetro.

3.-Deberán ser controlados permanentemente los siguientes elementos:

• Chequear y observar el funcionamiento de las bombas de alimentación de agua

• Revisar el funcionamiento de quemadores, y estar atentos a cualquier anomalía

• Observar presión indicada en los manómetros, teniendo presente que en ningún momento debe sobrepasar la presión máxima de trabajo.

• Chequear la temperatura de los gases de combustion, así como también la temperatura del agua de alimentación.

• Estar atento a cualquier ruido u olor extraño a los normales.

4.-Se le prohíbe estrictamente al operador dejar fuera de funcionamiento, bloquear o deteriorar los sistemas de alarma y/o controles de nivel de agua de las calderas.

5.- Obligaciones del operador de turno:

• Accionar válvulas de seguridad

• Accionar gráficos de pruebas con el objeto de descartar los niveles de agua falsos.

• Purgar columna del control automático del agua.

• Realizar análisis químico de alimentación y el agua de la caldera.

• Mantener sala de calderas en perfectas condiciones de aseo y orden.

• Dosificar productos químicos: anticrustante, neutralizante y secuestrador de oxigeno.

6.- Eliminar cualquier ingreso de aire que no intervenga en la combustion y solo contribuirá a diluir los contaminantes.

ACCESORIO DE SEGURIDAD:

Válvula de seguridad:

Todas las calderas tienen una o mas válvulas deben disponer de uno o mas válvulas de seguridad cuya finalidad es: dar salida al vapor de la caldera cuando se sobrepasa la presión normal de trabajo, con lo cual se evitara presiones excesivas en los generadores de vapor.

Tapón fusible:

Consiste en un tapón de bronce, con hilo para ser atornillado al caldero, y tienen un orificio cónico en el centro, en el cual se rellena con una aleación metálica ( plomo, estaño), cuyo punto de fusión debe ser de 250 º C como máximo.

Alarmas:

• Silbato de alarmas:

accesorios de seguridad que funcionan cuando el nivel de agua en el interior de la caldera a descendido mas allá del nivel normal. Consiste en un tubo metálico con el extremo inferior abierto y sumergido al interior de la caldera, hasta el nivel mínimo admisible.

EQUIPOS DE PROTECCION PERSONAL:

• Casco

• Zapato de seguridad

• Protector auditivo

• Guante

• Ropa liviana

Revisiones y pruebas de condiciones de seguridad

Para verificar las condiciones de seguridad de los generadores de vapor, éstos deberán ser sometidos a las siguientes revisiones y pruebas:

 

a)      Revisión interna y externa

b)      Prueba hidráulica

c)      Prueba con vapor

d)      Prueba de acumulación

e)      Pruebas especiales

Revisión interna y externa

Para estas revisiones el propietario o usuario de la caldera la preparará como sigue: apagará sus fuegos, la dejará enfriar, la drenará, la abrirá y la limpiará completamente incluso los conductos de humo.

Prueba hidráulica

La caldera se preparará para la prueba hidráulica en la siguiente forma:

 

• Se interrumpirán las conexiones a la caldera por medio de bridas ciegas (flanches ciegos) u otros medios que interrumpan en forma completa y segura todas las conexiones de vapor y agua, y que resistan la presión hidráulica a que se someterán.

• Se limpiará la cámara de combustión y se abrirán y se limpiarán los conductos de humo, de modo que la estructura metálica de la caldera sea accesible por todos sus lados

• Se retirarán las válvulas de seguridad y se colocarán tapones o flanches ciegos. En ningún caso se permitirá el aumento de la carga en la palanca o un aumento en la presión sobre el resorte de la válvula.

• Se llenará la caldera con agua hasta expulsar todo el aire de su interior, mediante un tubo de ventilación.

• Durante la prueba hidráulica se aplicará la presión en forma lenta y progresiva aumentándola uniformemente, sin exceder el valor fijado para la presión de prueba que debe resistir.

• Enseguida, se revisará la caldera para comprobar la existencia o ausencia de filtraciones o deformaciones en sus planchas.

• Se considerará que la caldera ha resistido la prueba hidráulica en forma satisfactoria cuando no haya filtración ni deformación de las planchas.

• Posteriormente se bajará la presión también en forma lenta y uniforme.

Prueba con vapor

Después de cada prueba hidráulica se realizará una prueba con vapor en la cual la válvula de seguridad se regulará a una presión de abertura que no exceda más de 6% sobre la presión máxima de trabajo de la caldera.

 

Prueba de acumulación

La prueba de acumulación se realizará con la caldera funcionando a su máxima capacidad y con la válvula de consumo de vapor cerrada. En estas condiciones la válvula de seguridad deberá ser capaz de evacuar la totalidad del vapor sin sobrepasar en un 10% la presión máxima de trabajo del generador de vapor.

Pruebas especiales

 

Sin perjuicio de las pruebas prescritas en los artículos anteriores la autoridad sanitaria podrá solicitar que los generadores de vapor sean sometidos a pruebas especiales no destructivas, con el objeto de determinar calidad de planchas y soldaduras en calderas muy usadas o muy antiguas o en aquellas en que se hayan producido deformaciones o recalentamiento. 

COMBUSTIBLES

Los combustibles mas comúnmente usados son:

Combustibles sólidos:

• Carbón de piedra

• Carboncillo

• Leña

• Basuras o desperdicio domestico

Combustibles líquidos:

• Petróleos

• Kerosén

• Alquitrán combustible

Combustibles gaseosos:

• Gas licuado ( de petróleo)

• Gas de alumbrado ( de carbón).

SALA DE CALDERAS

El reglamento también define las características mínimas que debe poseer el lugar donde se instala el generador de vapor o caldera:

• Si el generador de vapor tiene una superficie de calefacción igual o superior a 5 m2 y cuya presión de trabajo exceda a 2.5 Kg. /cm2, se instalará en un recinto específico para su utilización.

• Esta sala será de material incombustible y estará cubierta de techo liviano.

• No podrá ubicarse la caldera sobre construcción destinada a habitación o lugar de trabajo.

• La distancia mínima entre la caldera y las paredes del recinto será de un metro, esta misma distancia debe respetarse entre la caldera y cualquier otro equipo o instalación.

Esta sala deberá tener dos puertas o más, en direcciones diferentes, éstas se deben mantener en todo momento despejadas y deberán permanecer sin llave mientras las calderas están funcionando.

CONCLUSION:

En la realización de este informe sobre “calderas y generadores de vapor”, hemos tomado el conocimiento de cómo opera esta maquina/herramienta, sus funciones, clasificaciones, objetivos; y además hemos tomado conciencia de la responsabilidad que debe tener el operador frente a esta maquina/herramienta. Hemos concluido, también, la importancia de un procedimiento de trabajo seguro en los procesos industriales en la operación de calderas y generadores de vapor.

BIBLIOGRAFIA

• Operadores de calderas industriales. Mutual de Seguridad: Cámara Chilena de la Construcción.

• Manual para el alumno “Seguridad Industrial”. Manuel Cáceres Gallardo - Ingeniero en Prevención de Riesgos.

• Decreto Supremo Nº 48. Reglamento de Calderas y Generadores de Vapor.

• Visita a hospital Intercultural de Nueva Imperial.

• Visitas en páginas de Internet.

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