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1 CALDERAS. GENERADORES DE VAPOR

Generalidades: se llama generador de vapor o caldera a cualquier artefactoque tenga por finalidad la producción de vapor, a presión superior a la delambiente, para su empleo fuera del generador.Desde la antigüedad se observó la fuerza del vapor, suficiente para hacer bailarla tapadera de una olla, pero recién a fines del siglo XVII se dispuso desuficiente tecnología para aprovecharla.El desarrollo posterior de los motores de vapor fue la demanda que posibilitó laconstrucción de generadores cada vez más potentes.Descripción de una caldera típica:1.- Cuerpo de la caldera: donde se genera y almacena el vapor.2.- Hogar: Sitio donde se quema el combustible. Forman parte de él la parrilla(para combustibles sólidos), el altar, la puerta, los quemadores (para líquidos,

gases o polvos), el cenicero y los inyectores de aire.3.- Cámara de humos: lugar donde los gases provenientes de la combustióncambian de sentido de circulación.4.- Chimenea: Tubo que envía al exterior los gases ya utilizados.5.- Elementos auxiliares:

a) Válvulas de seguridadb) Válvulas de maniobrac) Manómetro (s)d) Indicadores de nivel del aguae) Puertas y tapas de inspección y limpiezaf) Válvula (s) de purga

g) Aparato (s) de inyección de agua.h) Aparatos de automatización.

Análisis de las partes del generador de vapor.

Cuerpo de la caldera:

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Se construyen 2 tiposclásicos de calderas:Las de tubos defuego o de humo ylas de tubos de agua.

Calderas de tubosde fuego: Lascomunes calderashorizontales overticales cilíndricas,construidas dechapas de acerocilindradas con juntasremachadas osoldadas, vanatravesadas de una

base a la otra portubos por los quecirculan los gasescalientesprovenientes de lacombustión. A vecesse construyen dehogar húmedo ointerior, especialmente para quemar combustibles líquidos o gaseosos, en cuyocaso un tubo de mayor diámetro, con las paredes onduladas actúa como hogar.Las antiguas calderas de calefacción de tubos verticales de fuego, lasutilizadas para la producción del calor necesario para la vulcanización delcaucho en la reparación de neumáticos, las pequeñas calderas para la industriade la alimentación, las calderas de las locomotoras de vapor y de loslocomóviles, las calderas marinas de potencias pequeñas y medianas son deeste tipo.

Las veces sucesivas en que los gases calientes son puestos en contacto conlas superficies de intercambio de calor con el agua se denominan PASOS. Alárea metálica donde ocurre el intercambio de calor se le llama SUPERFICIEDE CALEFACCIÓN.

Calderas de tubos de agua: El agua circula por el interior de los tubos, y losgases calientes los rodean. Se distinguen por su rápida puesta en servicio y su

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elevadaproducción de

vapor. Seconstruyen para

las mayores

demandas ypresiones. 

Dentro de éstasse distinguen lasCALDERAS DETUBOSINCLINADOS, contubos hervidoresrectos, inclinadoscon respecto de la

vertical 1:2 hasta1:3.5. Lleva en laparte superior 1 o2 tamborestransversales olongitudinalesdonde los tubosse cargan de aguay descargan elvapor producido.LAS CALDERASDE TUBOSVERTICALEStienen unaconstrucción

parecida, pero los haces de tubos son verticales, y los tubos descendentes sonmenos calentados o no lo son. Las CALDERAS DE RADIACIÓN tienen elhogar recorrido en todas sus paredes por tubos ascendentes que colectan allíel calor. En las CALDERAS DE CIRCULACIÓN FORZADA en agua es obligadacircular a gran velocidad por los tubos de intercambio por una bomba. A estetipo corresponden las CALDERAS DE PICO, cuya principal característica es la

rapidez de entrada en servicio. Las CALDERAS DE RECUPERACIÓN DECALORES PERDIDOS aprovechan los gases calientes de otras industrias,cuyo calor de otro modo se perdería, y en algunos casos, si son éstosfuertemente reductores, pueden oxidarlos para recuperar también estos caloreslatentes. Según su construcción, pueden las calderas cumplir con más de unade las calificaciones anteriores. Una caldera de tubos de fuego puede actuarcomo de calores perdidos, sin perder por eso su característica principal.

ACCESORIOS DE LA PRODUCCIÓN DE VAPOR:

a) Recalentadores de vapor : En los casos en que el vapor deba

transportar más calor del correspondiente a su temperatura de

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saturación, se acostumbra sobrecalentarlo, utilizando para ello un haz detubos de acero por los que circula el vapor, expuestos al calor del hogar.

b) Economizadores: En instalaciones de gran tamaño, con el objeto deahorrar combustible, se acostumbra calentar el aire de admisión alquemador utilizando un intercambiador de calor que aprovecha el calor

de los gases de escape. También el agua para la inyección puedecalentarse.c) Trampas de vapor : La presencia de condensados en las líneas de

vapor provoca diversos problemas como ruidos, golpes de ariete,funcionamiento intermitente. Las trampas de vapor colocadas en lossitios adecuados eliminan los condensados y mantienen las líneas libresde agua.

d) Aislaciones térmicas: Todas las partes de la caldera y las líneas deconducción de vapor deben estar cuidadosamente aisladas para evitarlas pérdidas de calor que conspiran en contra de la economía de lainstalación. 

e) Preparación del agua de inyección: El agua debe tener característicasadecuadas para su evaporación sin dejar residuos que dañen lamáquina. Aguas duras deben tratarse con intercambiadores de cationes,aguas turbias deben decantarse y/o filtrarse, aguas con sales ensolución deben recibir un tratamiento adecuado para evitarincrustaciones. La purga de fondo periódica elimina los lodos residuales.Si es posible, la recuperación de los condensados es una prácticaexcelente. 

f) Reposición del agua consumida: El nivel interno en la caldera debemantenerse cuidadosamente, dentro de márgenes muy estrechos.Según la presión de trabajo, pueden usarse bombas de émbolo, bombascentrífugas de 1 o varias etapas, inyectores de vapor y cargagravitacional. Cualquiera de los métodos que se elija debe proveer conholgura la máxima demanda de vapor prevista.

g) Automatización: Las máquinas modernas tienen un alto grado deautomatización. Un sistema secuencial, atendido o no por un ordenador,se hace cargo de todas las operaciones, desde la puesta en marcha, elfuncionamiento a plena carga o carga parcial, la recarga de agua, etc. Elsistema saca de servicio a la caldera si ocurre un inconveniente que nopuede solucionar y avisa con una señal sonora. 

CALDERAS EN PAQUETE (Steam pack)Los generadores de vapor modernos de potencias pequeñas y medianas sesuministran con todos sus accesorios montados de fábrica en un bastidor que loscontiene. Esto simplifica la labor de montaje y acelera la puesta en servicio. Además simplifica la responsabilidad a un solo proveedor, en caso de tener queejecutar la garantía.

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1.1 ALGUNAS DEFINICIONES Y CONSTANTES PARACÁLCULO

a) Superficie de calefacción: es el área expresada en m2 que estáexpuesta por un lado a los gases calientes y por el otro en contacto conagua o vapor.

b) Vaporización especifica: está expresada por la cantidad de agua quese vaporiza en una hora y la superficie de calefacción. Kg hora/m2 

c) Presión de trabajo: Es la presión normal de descarga de vapor, a la

que está regulada la máquina. Las válvulas de seguridad se regulan auna presión 10% mayor.d) Rendimiento térmico: Es la relación entre el calor contenido en el

vapor producido a plena carga y el calor sensible inferior del combustibleconsumido, todo por unidad de tiempo. Se expresa en %

CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR

a) por la presión de descarga del vapor:1) Calderetas: hasta 1 bar.2) Baja presión: >1< 7 bar

3) Media presión:>7< 25 bar4) Alta presión >25 < 75 bar

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5) Muy alta presión > 75 bar

b) Por la rapidez para entrar en servicio:1) Muy lentas > 10 horas2) Lentas 2 h

3) Normales < 2 h > 20 min.4) Rápidas : < 20 min. > 2 min.5) De pico: < 2 min.

c) Por la colocación del hogar:1) De hogar inferior2) De hogar anterior3) De hogar interior o húmedo

d) Por la cantidad de veces que los gases de combustión son expuestos alintercambio de calor con el agua o vapor:

1) De un paso2) De dos pasos3) De tres pasos4) De cuatro pasos

e) Por el tipo de combustible que utiliza:1) Para combustibles sólidos (carbón, coke, leña, briquetas)2) Para combustibles líquidos (petróleo y derivados)3) Para combustibles gaseosos (gas natural o fabricado)4) Para combustibles mixtos ( gas y líquido)5) Para combustibles sólidos pulverizados

f) Por la forma en que se realiza el tiraje1) De tiro natural (con chimenea alta)2) De tiro aspirado3) De inyección de aire.

BALANCE TÉRMICOSegún los tipos de calderas y combustible utilizado el aprovechamiento del

calor puede ser más o menos eficiente. El diseño del constructor, loscomponentes y accesorios utilizados mejoran también esta utilización de laenergía contenida en el combustible.En términos generales se puede aceptar los siguientes porcentajes:

Calor absorbido por la caldera y conver tido en vapor………………………75,0% Calor perdido por humos, gases de escape, cenizas, chispas, hollín ……11,5%Calor perdido por combustible no quemado y combustión incompleta ... 9,6%Calor perdido por radiación, purgas y varios …...……………………………..3,9% 

APARATOS DE CONTROL, SEGURIDAD Y MANTENIMIENTO DE

CALDERAS.

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Es necesario dotar a las calderas de ciertos accesorios que optimicen el control,seguridad y mantenimiento de las mismas.

Elementos de controlManómetros que indican presión.

Existen diferentes diseños y fomas deinserción con escalas dentro del rangode la caldera.Tubos de nivel. Son gruesos tubos devidrio con una montura apropiada(generalmente bronce). La partesuperior está conectada con la cámarade gases y la inferior con la cámara deagua. Poseen un mecanismo de cierrepara casos de roturas.Grifos de nivel. Tienen por objeto

controlar los niveles adecuados deagua y vapor. Son tres ubicados deforma que al abrir el superior escapavapor, al abrir el inferior escapa agua yel del medio está ubicado en el límiteóptimo del nivel de agua de modo queal abrirlo sale espuma.El operador comienza abriendo elinferior, si sale agua, abre el del medioy debe salir espuma en situacionesnormales. Si sale vapor indica quefalta agua.Si la situación es normal sale espumay se verifica abriendo el superior queexpulsa vapor.La situación se complica cuando alabrir el inferior sale vapor. Esto indicaque falta agua y se está en unasituación de riesgo.

Elementos de seguridad.Tapón fusible: generalmente las calderas fuego tubulares tienen colocado untornillo de acero o bronce hueco. Este hueco está relleno con plomo o unamezcla de plomo y estaño que funde a una temperatura de aproximadamente230 ºC. Se colocan levemente por debajo del nivel mínimo de agua de modo

que si la cadera baja más del mínimo se funde y se pierde la presión y evita el

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riesgo de explosión. El vapor que sale acciona un silbato que alerta alcalderista de esta situación de riesgo. Alarma sonora y de luces: dispositivos electromecánicos o electrónicos actúansobre alarmas sonoras y lumínicas cuando se presenta alguna situaciónanormal de presiones o temperaturas o nivel de agua

Válvulas de seguridad: son regulables y dejan escapar vapor cuando se superala presión que se ha establecido como límite. De este modo se evitansobrepresiones. Existen dos tipos fundamentales de contrapeso y de resorte.