Generadores de vapor

Generadores de vapor

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGETICA
UNIDAD CURRICULAR: EQUIPOS, MÁQUINAS E INSTALACIONES
INDUSTRIALES

PROFESOR: ING. ELIZABETH FIERRO






La producción de calor fue uno de los primeros pasos del hombre en el campo de la
técnica; se utilizó en forma relativamente rudimentaria hasta fechas muy recientes.
Fue la utilización del vapor como fuerza motriz lo que hizo posible la revolución
industrial del siglo XVIII y el desarrollo del generador de vapor de gran potencia, ha
hecho surgir la era de electrificación del siglo XX. Las fábricas modernas, los
grandes edificios y el confort en los hogares, son únicamente posibles gracias a la
electricidad, el vapor destinado a procesos industriales y a las plantas de calefacción
central.

La producción de vapor y calor se ha convertido en una actividad práctica
complicada. Ha pasado por un período de transición, en el que ha evolucionado con
mucha rapidez, gracias a los esfuerzos desarrollados por expertos en los campos de
la técnica térmica, en la de combustión y en la de fuerza motriz. Como
consecuencias de su acelerado crecimiento muchas de las personas empleadas en
esta industria no tienen el debido entrenamiento o carecen de conocimientos sobre
muchos de los problemas de esta industria.

El equipo básico de una instalación para producir vapor (agua caliente) y
ciertamente el componente más costoso del conjunto, consta de la simple cámara
para generar calor, la caldera, el fogón y sus estructuras. A esto hay que agregar los
quemadores mecánicos, hogares enfriados por agua, supercalentadores,

TEMA I: Generadores de Vapor

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economizadores, calentadores de aire y otros accesorios relacionados con las
calderas, tales como desaireadores de agua de alimentación, ventiladores para tiro
forzado o inducido, bombas y aparatos similares, para la formación de unidades
generadoras de mayor capacidad y más completas.

Las múltiples aplicaciones que tienen las calderas industriales. Las condiciones
variadas de trabajo y las innumerables exigencias de orden técnico y práctico que
deben cumplir para que ofrezcan el máximo de garantías en cuanto a solidez,
seguridad en su manejo, durabilidad y economía en su funcionamiento, ha obligado
a los fabricantes de estos equipos a un perfeccionamiento constante a fin de encarar
los problemas. La búsqueda de soluciones ha originado varios tipos agrupados
según sus características más importantes.

En la mayoría de los textos siempre nos encontramos con el término calderas o
generadores de vapor la verdad es que ambos tienen muchas cosas en común a
continuación se dará una breve definición para cada uno

Calderas
Es el recipiente metálico en el que se genera vapor de agua a presión mediante la
acción de calor.

Las calderas industriales son instalaciones mucho más complicadas y transforman
la energía térmica que en ella se genera, en energía potencial mecánica, las
calderas industriales son denominadas “Generadores de Vapor”

Generadores 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 diferente a la atmosférica.

En la práctica se habla de “calderas” refiriéndose a todo el conjunto o “Generador de
Vapor”. Por tal razón, en adelante, usaremos indistintamente ambos términos.

La caldera o generador de vapor son equipos cuyo objetivo es: generar agua
caliente para calefacción y uso general; Generar vapor para plantas de fuerza,
procesos industriales o calefacción.

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Principio de Funcionamiento de la Generación de Vapor
Funcionan mediante la transferencia de calor, producido generalmente al quemarse
un combustible, el que se le entrega al agua contenida o que circula dentro del
recipiente metálico, en otras palabras, es el proceso en el cual se suministra calor al
agua, de presión y temperatura constantes obteniendo finalmente vapor y agua. En
la siguiente figura se puede visualizar mejor lo anterior.







Según el Proceso de Transferencia de Calor
Pirotubulares o Tubos de Humo (el gas circula dentro
de los tubos)
Son aquellos generadores en el que el fuego (los gases
calientes de la combustión) es conducido a través de
unos tubos metálicos llamados fluxes. Por su parte
exterior, los fluxes están en contacto con el agua, de tal
manera que permiten el calentamiento de ésta hasta producir el vapor que cumpla
con las características deseadas.

En las industrias existen diferentes tipos de calderas o generadores de
vapor que va a depender de las necesidades que tenga la planta y se
clasifican de la siguiente manera.

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El cuerpo de la caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición
horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y
una cámara superior de formación y acumulación de vapor.

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

Características
Presiones hasta 150 LPPCM
Generación de vapor hasta 150 KLb/h (68 Ton/h)
Generación de vapor saturado
Pequeñas dimensiones
Carcasa cilíndrica.

Ventajas
Simplicidad en el diseño, construcción y mantenimiento
Funcionamiento automático.
No tiene sensibilidad a la calidad del agua de alimentación.

Limitaciones
La Producción de vapor y presión son relativamente bajas debido al gran
diámetro que exige la carcasa.
Riesgo de explosión, debido a que en la carcasa se pueden almacenar
grandes cantidades de agua en condiciones de saturación.

Acuotubular o tubos de agua (el agua circula dentro de
los tubos)
En este tipo de caldera, la flama esta en el espacio
interno del equipo (llamado hogar) y el agua circula por el
interior de los fluxes, el fuego calienta los tubos y, por
contacto, el agua que pasa por ellos.

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Estas calderas eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales,
logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo
mayor.

Características
Presiones hasta 1500 LPPCM (Libra por pulgada cuadrada
manometrica)(psig)
Generación de vapor mayor a 300 Klb/h ( 136 Ton/h)
Generación de vapor sobrecalentado
Grandes dimensiones.

Ventajas
La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas
presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.
Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo,
ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no
excede los 20 minutos.
Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.
Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación
automática.
Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-
combustible a presión.
El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo
que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor
aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de
humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes
de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de
vapor hasta en un 20%.
Mantenimiento sencillo.

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Clasificación de las Calderas Acuotubulares
Acuotubulares de Tubos Rectos: los tubos pueden estar dispuestos en posición
vertical u horizontal.

Ventajas
Como todos los tubos son iguales se requiere poca reserva de los mismos.
La limpieza interior de los tubos para eliminar incrustaciones se realiza con
facilidad usando métodos mecánicos sencillos.

Acuotubulares de Tubos Curvados o Doblados: Se construyeron para tener
calderas de funcionamiento más flexibles que las de los tubos rectos.

Ventajas
Elasticidad en su diseño
Transmisión de calor debido al gran número de pequeños tubos.
Permite mayor producción de vapor.

En la siguiente imagen se presentan las partes principales de un generador de vapor
pirotubular y acuotubular respectivamente.

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Observa en la figura el gran tamaño de este generador de vapor acuotubular.

Según el Tiro de Circulación de los Gases Calientes
Tiro es la manera como circulan los gases calientes dentro de la caldera. Con la
finalidad de hacer llegar al hogar aire necesario para la combustión, obligar a los
gases a recorrer los conductos de humo con velocidad aceptable y evacuarlos en las
capas relativamente altas de la atmósfera para que no produzca inconvenientes en
las regiones habitadas.

Natural o por Chimenea
La chimenea es la encargada de producir la aspiración necesaria para que los gases
puedan vencer las resistencias que encuentran en su camino, a través de toda la
instalación. El movimiento de los gases es debido a diferencia de densidades entre
el aire de entrada y los gases calientes de la chimenea

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Inducido
Circulación de gases calientes debido a un dispositivo mecánico (ventilador) que
produce una depresión (vacío) en el ducto que va hacia la chimenea.




Forzado
La circulación de los gases calientes es forzada por un dispositivo mecánico
(ventilador) que introduce aire en el hogar de la caldera.


Mixto
La circulación de los gases calientes es debida a la combinación de tiro forzado e
inducido.

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Según la Circulación de Agua
Circulación Natural
La fuerza de gravedad es la que produce el flujo a través de los tubos utilizando la
diferencia de densidad que existe en los mismos.


Circulación Forzada
Es aquella en la cual el flujo dentro de la caldera es producido por bombas que
producen el cabezal de presión requerido en el sistema.












Según Tipo de Combustible
Combustible Sólido
Engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas y suciedad que generan y el
difícil control de la combustión.

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Combustible Líquido
Gasoil Diesel. Combustible liviano con alto poder calorífico, la operación es
relativamente limpia.

Fuel Oil: Combustible pesado que necesita precalentamiento para disminuir su
viscosidad, operar con este combustible requiere mayor mantenimiento en los
quemadores debido a derrames de fuel oil.

Combustible Gaseoso
Es una operación limpia y económica, tiene sus riesgos al momento del encendido,
al cual hay que hacerle un barrido con aire, por condiciones de seguridad.

Según el Material de Construcción

Hierro fundido
Conformado por paneles huecos que se unen mediante juntas mecánicas (tornillos),
no son susceptibles de modificación por lo problemático que resulta trabajar con
hierro fundido. Son frágiles, por impacto fracturan por cambios bruscos de
temperatura. Son fuertes a la corrosión y a incrustaciones.

Acero al Carbono
Son calderas de variados diseños, susceptibles de ser modificada por la facilidad de
trabajar acero al carbono. Ej. Pirotubulares y Acuotubulares. Son atacadas por
corrosión y presentan incrustaciones por la dureza del agua.

Componentes Principales de una Caldera
En este punto se trataran sólo aquellas partes generales relevantes propias del
diseño de las calderas, debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de
partes características, es muy difícil atribuir a todas ellas un determinado
componente.
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

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calderas pueden instalarse con hogares para combustibles sólidos, liquidas o
gaseosos.

Puerta Hogar
Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo
refractario o de doble pared, por donde se alimenta de combustible sólido al hogar y
se hacen las operaciones de control de fuego. En las calderas que queman
combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador.


Emparrillado
Son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o
trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible
sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire primario que
sirve para que se produzca la combustión.







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.

PUERTA DEL HOGAR

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Quemador
Es el dispositivo que pone en contacto el combustible y el carburante en
cantidades y condiciones adecuadas.

Equipos Auxiliares para el Sistema de Generación de Vapor
Equipo de Suavización de Agua: Convierte el agua común en agua
“blanda”, la cual puede ser utilizada para alimentar la caldera.
Tanque de Retorno Condensador: Es un recipiente que contiene el agua
de alimentación a la caldera y debe cumplir con tres funciones primordiales:
 Mantener una reserva mínima de agua, suficiente para alimentar a la
caldera durante 20 minutos; esto determinara las dimensiones que
debe tener.
 Recuperar el agua suave de los retornos de los condensados. Para
mantener económica la producción de vapor, debe recolectarse al
condensado, ya que es agua suavizada y calentada, que tiene un costo
extra en su producción y por lo tanto no debe desperdiciarse.
 Precalentar al agua de alimentación a la caldera. El agua de
alimentación a las calderas debe estar a la mayor temperatura posible
para evitar daños internos a la caldera al introducir agua “fría” y
además por economía, para gastar menos combustible al elevar la
temperatura del agua para convertirla en vapor. Cuanto mas caliente
se le introduzca el agua, más aumenta la capacidad de la caldera.
Tanque Deareador o Desareador: Cuando las calderas instaladas
sobrepasan de 200 caballos caldera, para la producción de vapor, se justifica
la utilización de este tipo de tanque de condensados, además de que
remueve el excedente de aire y los gases corrosivos (oxigeno, bióxido de
carbono) a través de un deareador que se instala en su interior para crear
corriente de vapor que obligue a salir por el venteo (puede ser automático o
manual).

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Principales Medidas de Seguridad en los Generadores de Vapor O Calderas











Le vamos a dar una idea….

La energía que se libera en una explosión de una caldera de 100 C.C (caballos
caldera) equivale al impacto de una locomotora de 50 toneladas a una velocidad
superior a los 500 Km/h.

Para Evitar Este Peligro:
Mantenga siempre un nivel visual de agua en el cristal de nivel, ya que la falta
de agua puede causar un sobrecalentamiento que puede provocar la
explosión de la caldera, si en dado caso en algún descuido la caldera
quedase sin agua pare la caldera, no inyecte agua, antes de verificar el nivel
a través de los grifos de prueba y sobre todo, esté seguro de haber corregido
el problema antes de arrancar previamente.
Nunca reduzca el tiempo o elimine la fase del barrido de gases, ya que
cuando existe combustible en el interior (sobre todo gas), al momento de la
chispa sobreviene una explosión cuya magnitud dependerá del combustible
acumulado, pudiendo ser peor que la explosión por sobre presión o
sobrecalentamiento.
Pruebe periódicamente el funcionamiento de las válvulas de seguridad, ya
que su accionamiento oportuno en caso de emergencia puede salvar equipos
y sobre todo vidas. Verifique que la calibración de ellas sea mayor que la
presión de trabajo y menor que le presión de diseño del equipo.

¿Alguna vez te has imaginado
que una caldera pueda
explotar totalmente?
De ser así, ¿Se ha imaginado
la magnitud?

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Recomendaciones para el Buen Funcionamiento de las Calderas o
Generadores de Vapor
Que se alimente la caldera con agua suavizada, no permitir que se le
introduzca agua cruda. La mayoría de los deterioros de una caldera son
consecuencia de no darle tratamiento al agua.
Dar tratamiento químico interno al agua de alimentación a las calderas.
Además de suavizar el agua, existen elementos tales como acidez,
alcalinidad, hidróxidos, fosfatos, sulfitos, nitratos y sílice, los cuales deben
mantenerse dentro de rangos permisibles de operación para otro tipo de
daños) corrosión, incrustación, fragilización y arrastre, entre otros).
Que no existan fugas en las tuberías de vapor y retorno de vapor. En una
caldera que opere a 7 Kg/cm
2
, al abrir una tubería de media pulgada de
diámetro, se desperdicia medio kilogramo de vapor por cada segundo que
esté abierta, y por cada caballos caldera tarde en producirlo
aproximadamente 133 segundos, lo que significa que se necesita una
caldera de 133 C.C de potencia para producir el vapor que se desperdicia en
la fuga.
Que no existan tuberías sin recubrimiento térmico, como por ejemplo, una
caldera cuya presión de trabajo es de 1 Kg/cm
2
, por cada metro lineal de
tubería de media pulgada de diámetro que no tenga recubrimiento, en al
lapso de una jornada laboral de 8 horas, se desperdiciaran 0.125 C.C, y de
una tubería de 4 pulgadas se desperdician 0.67 C.C aproximadamente, por
lo que la caldera debe trabajar de mas para mantener su potencia, sufriendo
mayor desgastes y teniendo un desperdicio de combustible quemado en la
línea de media pulgada de casi medio litro.
Verificar que no se forme hollín en los tubos fluxes. Esto se puede verificar a
través de la lectura del termómetro que mide la temperatura de la salida de
los gases de combustión por la chimenea. En condiciones normales no debe
exceder de 83 °C de la temperatura de vapor. Una caldera que opere a 7
Kg/cm
2,
teóricamente producirá vapor a 248 °C como máximo permisible; el
incremento de temperatura que se detecte dependerá del grado de
hollinamiento que tenga, o bien, si se encuentra en buenas condiciones, pese
a la temperatura alta, significa que la caldera fue mal diseñada y desperdicia
el calor. Una capa de hollín que tenga el grueso de su uña significa en forma

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aproximada una perdida de eficiencia del 10 % y un 3% de combustible no
aprovechado.
Que el tanque de condensados tenga recubrimiento térmicos. Hay que evitar
que se enfríe el agua de alimentación a la caldera, ya que entre mas caliente
esté al agua será mas fácil subir la temperatura hasta los 100 °C,
temperatura en que se inicia la evaporación; esto se refleja en un ahorro de
combustible.

Variables a Controlar en los Generadores de Vapor o Calderas
Las variables que se quieren controlar en una caldera pueden responden a la
necesidad de cumplir con los valores máximos absolutos de operación establecidos
por el fabricante de la caldera, o por requerimientos especiales relacionados con el
proceso en sí, o para cumplir con las normas y reglamentos estipulados para la
operación de calderas y para garantizar la seguridad del sistema. Las variables más
importantes a controlar son:

Controlar el nivel del agua
La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende
de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control
de presión del agua de alimentación. Cuando el caudal de vapor aumenta
bruscamente, la presión baja, con lo que se produce una vaporización rápida que
fuerza la producción de burbujas y agua, lo que da lugar al aumento aparente de
nivel de la caldera. La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es
importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones
de caudal frecuentes y rápidas. Para que las condiciones de funcionamiento sean
estables, el caudal de vapor y el de agua deben ser iguales y de forma secundaria,
el nivel de agua debe reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de
unos límites determinados (normalmente son de unos 50 mm por encima y por
debajo de la línea central de la caldera).

Controlar Agua de Alimentación
Las calderas necesitan pre tratamiento externo en la alimentación del agua o make-
up dependiendo del tipo de caldera, la presión de operación, o del sistema total.

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Controlar Presión
En la mayoría de las aplicaciones de la industria, se requiere mantener una presión
de servicio en un valor constante pese a variaciones en la demanda de vapor. Por
ejemplo, las calderas que alimentan sistemas de generación eléctrica la presión del
flujo de vapor que llega a las turbinas determinan la velocidad y el toque que estas le
imprimen al generador y por lo tanto, repercute en la frecuencia y el voltaje obtenido.
Es decir cambios en la demanda eléctrica, implicaran cambios en la parte mecánica
del sistema que deben ser controlados con la presión en la caldera.

Controlar Sólidos Disueltos en el Agua de Alimentación
Cuando el agua es evaporada y se forma vapor, los minerales o sólidos disueltos y
suspendidos en el agua, permanecen dentro de la caldera. El agua de reposición
contiene una carga normal de minerales disueltos, estos hacen que se incrementen
los sólidos disueltos totales dentro de la caldera. Después de un periodo de tiempo
los sólidos disueltos totales (TDS) alcanzan niveles críticos dentro de la caldera.
Estos niveles en calderas de baja presión se recomienda que no excedan 3500 ppm
(partes por millón o miligramos por litro). TDS por encima de este rango pueden
causar espuma, lo que va a generar arrastres de altos contenidos de TDS en las
líneas de vapor, las válvulas y las tramas de vapor. El incremento en los niveles de
TDS dentro de la caldera es conocido como “ciclos de concentración”, este término
es empleado muy seguido en la operación y control de la caldera.

Pruebas de Puesta en Marcha

Prueba de Humo: Consiste en la presurización del hogar y ductos de escape
de gases calientes con aire; en el cual se lanza en dispositivo dentro de la
caldera, el cual genera humo; y si se observa alguna fuga del mismo, debe
ser corregida.

Prueba Hidrostática: Consiste en verificar en el contenedor metálico, la
hermeticidad (no posea fugas), para ello se llena el contenedor con agua y se
somete a través de una bomba reciprocante o de pistón a una presión de 1,5
mayor a la presión nominal de trabajo.

Presión Nominal 10 PSI = 15 PSI Presión de Operación

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Se deja por espacio de una hora en reposo, si no existe variación en el
manómetro, la prueba es aceptada. Para que la prueba tenga validez y la
caldera entre en servicio, es necesaria la presencia de un representante del
Ministerio del Trabajo, quien debe certificarla.

Previo al Arranque: Se hacen con simuladores para verificar que cada
instrumento de medición (controles, alarmas y válvulas de seguridad)
respondan satisfactoriamente a los ajustes.
 Verificación de las conexiones eléctricas y rotación de los motores eléctricos.
 Prueba de encendido en los quemadores

Prueba de Arranque: Con la caldera en operación se verifican todas las
pruebas previas al arranque y luego se somete a la prueba de aceptación final
según los parámetros de diseño (P, T, Rendimiento, etc.), gradiente de
enfriamiento y calentamiento y funcionamiento continuo de 24, 48, 72 horas;
para satisfacción del cliente.

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BIBLIOGRAFÍA

KRIJNEN J (2009). Guía Didáctica, Tema I Generadores de Vapor. UNEFM

Dimensionamiento de Calderas. [Última visita] 01 de julio de 2010.Disponible en:
http://www.revistavirtualpro.com/files/TI01_200601.pdf

SISTEAGUA. Calidad de Agua para Generadores de Vapor. [Última visita] 01 de
julio de 2010.Disponible en:
http://www.cnpml.org.sv/ucatee/ee/docs/informacion_calderas_ciclos_de_concentrac
ion.pdf

Instituto de Seguridad y Servicios Sociales de los Trabajadores del Estado. Guía
Técnica de Operación Y Mantenimiento De Generadores De Vapor . [Última
visita] 01 de julio de 2010.Disponible en:
http://compilacion.ordenjuridico.gob.mx/obtenerdoc.php?path=/documentos/FEDERA
L/o11615830.doc8nombreclave=01161530.doc