2.4 MARCO DE REFERENCIA

2.4.1 INTRODUCCIN HACIA LOS ANTECEDENTES DEL TEMA

El control de una caldera es un tema extenso que incluye tanto los procedimientos de arranque y parada como los enclavamientos de seguridad y la operacin en continuo de la caldera. Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera, las acciones de modulacin de la misma se desarrollaban con equipos analgicos (continuos).

Las secuencias de arranque y parada, as como los enclavamientos, son acciones digitales (todo/nada) que implicaban equipos digitales.

Actualmente, debido a los avances en los sistemas basados en microprocesador es posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad de la caldera.

Para poder desarrollar una aplicacin de control adecuadamente es necesario entender correctamente los objetivos del sistema de control. En el caso de las calderas de vapor existen tres objetivos bsicos: Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las condiciones de presin y temperatura deseadas. Operar continuamente la caldera al menor coste de combustibles manteniendo un alto nivel de seguridad. Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y tomar las acciones necesarias para una operacin segura en todo momento.Los dos primeros objetivos sern realizados por lo que tradicionalmente se conoce como sistema de controlanalgico, mientras que el tercero ser labor del sistema de seguridades y manejo de quemadores.Un diagrama bsico de una caldera podra representarse como se muestra en la Figura 2-1.

En esta figura se pueden diferenciar dos sistemas distintos. El primero sera el sistema agua-vapor. En l, el agua que se introduce en la caldera es convertida en vapor, que sale de la caldera al recibir el calor necesario mediante la transferencia de calor a travs del metal de los tubos. El segundo sistema es de combustible-aire-gases que es el que proporcionar el calor que se transmite al agua.En este sistema, el aire y el combustible se mezclan y queman en el hogar. El hogar suele estar formado por paredes de tubos de agua que reciben el calor radiante de la llama y es por tanto donde se produce la mxima transferencia de calor.

Los gases de combustin, como resultante de esta prdida de calor, se enfran y abandonan el hogar pasando a la zona de recuperacin de calor formada por tubos de vapor en donde la llama ya no se ve y el calor se transmite por conveccin. Como la transmisin de calor depende, entre otras cosas, de que exista una diferencia de temperatura, la temperatura de salida de los gases ser siempre algo superior a la temperatura menor del circuito agua-vapor.

Figura 2.1 - Diagrama bsico de una caldera

Esta prdida de calor disminuye el rendimiento del ciclo. Al objeto de elevardicho rendimiento, los gases de combustin suelen pasarse por algn tipo deintercambiador de calor.

Un primer ejemplo sera la instalacin de uneconomizador (Figura 2-2), que consiste en un conjunto de tubos de aguaexpuestos a los gases tras la zona de recuperacin de calor, con el propsito decalentar el agua de alimentacin y aprovechar al mximo el calor de los gases dela combustin antes de abandonar la caldera.

Figura 2.2 - Caldera con economizador

Una segunda posibilidad sera aprovecharlos para elevar la temperatura del aire de entrada en lo que se conoce como precalentador de aire (Figura 1-3). En este caso se debe considerar que dichos gases pueden tener limitada su mnima temperatura si en su composicin est presente el azufre. En aquellas instalaciones en las que es posible la instalacin de ambos equipos lo normal sera pasar primero los gases por el economizador y despus por el precalentador.

Figura 3 - Caldera con precalentador de aire

2.4.2 ORIENTACIN HACIA LAS BASES TERICAS DE LA INVESTIGACIN

GENERALIDADES:

CALDERA: (definicin).- Es un recipiente hermticamente cerrado que por medio del calor que produce un combustible al quemarse, transforma el agua en vapor a una presin mayor que la atmosfrica.

ELEMENTOS PRINCIPALES PARA PRODUCIR VAPOR: Agua Combustible Aire Fuente de ignicin (Electricidad). Agua: Combinacin qumica de los gases Hidrogeno y oxgeno, representada por la formula H2O. Aire: Est formado por una mezcla de gases, 23.2 % de oxgeno, 75.5% de Nitrgeno, 1.3% de Argon y otros gases. Combustible: Es una sustancia que al combinarse con el oxgeno del aire y una fuente de ignicin se produce la combustin generando calor, luz y desprendimiento de gases. Electricidad (fuente de ignicin).

CARACTERSTICAS DEL AGUA: En condiciones estndar de temperatura y presin(a nivel del mar y a una temperatura de 4 C), el punto de ebulliciones de 100 C (212 F), presin = 1.033 Kg./ Cm, densidad = 1 Kcal./Kg./ C, peso especfico = 1 Kg./ dm3 (lt).

PUNTOS DE EBULLICIN DEL AGUA A DIFERENTES PRESIONES:

Temperatura PresinFahrenheit(F)Centgrados(C)Kg./ CmPSI

21210000

3001493.752

40020416232

50026047666

6003161081529

7003712173080

7053742253200

Observacin: A presin atmosfrica normal el agua hierve a 100 C (212 F), a presiones ms altas se incrementa el punto de ebullicin, alcanzando un mximo de 374 C a una presin de 225 Kg./ Cm, arriba de esta temperatura el agua no puede existir como lquido.

COMBUSTIN: (definicin).- Es la oxidacin rpida del carbono que contiene el combustible, con el oxgeno del aire.

Combustibles ms usuales y sus parmetros de carburacin.CombustiblediselcombustleoGas naturalGas L.P.

Valor calorfico9250 Kcal./lt138000 BTU/galn9900 Kcal./lt150000 BTU/galn8540 Kcal./m31000-1050 BTU/pie36350 Kcal./lt3260 BTU/pie3

Rango CO2 (%)12 - 1312 - 1310 10.511 11.5

Rango O2 (%)4.45 - 3.15.1 3.73.3 2.42.7 3

Rango exceso de aire (n)1.25 1.1651.3 1.21.18 1.121.22 1.17

Comentario: Cuando se utiliza disel o combustleo y en la salida de la chimenea se observa humo negro, esto se debe a que se est dosificando combustible en exceso, por el contrario, cuando se observa humo blanco, se puede deber a exceso de aire de atomizacin o agua en el combustible, el exceso de aire genera mayor velocidad del mismo dentro de los tubos de la caldera y una menor transferencia de calor al agua, lo cual baja la presin e incrementa la temperatura en la chimenea.

QUEMADORES: Tipos de quemadores: a).- Tiro inducido, b).- Tiro natural, y c).- Tiro forzado.

CALOR Y TEMPERATURA: Los trminos calor y temperatura son bastante frecuentes y a veces se llega a confundirlos. Veamos ahora la diferencia: Calor: Es la energa que fluye de un cuerpo a otro a travs de una diferencia de temperaturas y del peso mismo. El calor siempre fluye del cuerpo ms caliente al cuerpo ms frio

Temperatura: Es una manifestacin de intensidad de calor y usualmente se expresa en grados centgrados (C) o grados Fahrenheit (F), se mide con un instrumento llamado termmetro.

Frmulas de conversin de temperaturas grados centgrados (C) a grados Fahrenheit (F) y viceversa. F - 32C = --------- y F = (C x 1.8) + 32 1.8

Observacin importante: No por el hecho de que un cuerpo tenga mayor temperatura que otro deba tener ms calor.

Supongamos que una pequea bola de 1.0 Kg. de acero al rojo vivo que se encuentra a 600 grados centgrados es sumergida en un tanque con 5000 lts de agua a una temperatura de 90 grados centgrados, y considerando que el calor siempre fluye del cuerpo ms caliente al ms frio, se llevar a cabo una transmisin de calor hasta igualarse las temperaturas en los dos cuerpos (acero y agua), sin embargo, el aumento de temperatura que sufri el agua es insignificante. Esto se comprueba con la formula siguiente:

Q = (W) (Cp) (t) Expresado en Kcaloras.

Dnde:

Q = Cantidad de calor en Kilo calorasW = Peso del cuerpo = 1.0 kg. Para el acero y 5000 kg. Para el agua.Cp = Calor especifico de cada cuerpo a presin constante(Para el agua es de 1.0 Kcal./Kg./ C, y para el acero es de 0.12 Kcal./Kg./ C).t = Diferencia de temperatura, que en este caso en con respecto a la ambiental que consideramos es de 20 C.

Por lo tanto, para determinar la cantidad de calor de cada cuerpo, tenemos lo siguiente:

Q (acero) = (1.0 Kg.) (0.12 Kcal./Kg./ C) (600-20 C ) = 70 Kcal.

Q (agua) = (5000Kg.) (1.0 Kcal./Kg./ C) (90-20 C) = 350,000 Kcal.

Con esto se demuestra que a pesar de que la bola de acero tena mayor temperatura, el agua del tanque contiene mayor cantidad de calor que aquella.

Tipos de calor:

Calor sensible : Es el calor necesario para elevar la temperatura del agua hasta su punto de ebullicin, es decir, el calor inicial del agua a la temperatura ambiente ms el calor que se aade hasta ponerla en su punto de ebullicin, es la mxima cantidad de calor sensible de esa agua hirviendo (180 BTU/Lb.).

Calor latente: Es el calor necesario para llevar el agua, de su punto de ebullicin a evaporacin, sin incremento de su temperatura, es el calor cuyo aumento no produce un incremento de temperatura. El calor sensible termina en el momento en que hierve el agua y ah comienza el calor latente, este calor es el que se encarga de producir el cambio de estado de agua a vapor sin que su temperatura vari (970.3 BTU/Lb.).

Calor total: Es por lo tanto, la suma del calor sensible ms el calor latente.

Nota: Los datos del calor latente para cada presin absoluta se encuentran en las tablas de vapor.

El calor latente no corresponde a la definicin ni a la formula empleadas anteriormente. Se aplica solo para vapor.

Las unidades internacionales para medir el calor son: La Kilocalora (sistema mtrico).

B.T.U. (sistema ingles).

La conversin de ambos es la siguiente:

1 Kcal. = 3.968 B.T.U. y 1 B.T.U. = 0.252 Kcal.

En algunos libros o manuales no se menciona a la Kcal. (Kilocalora) sino que se escribe solo Cal (calora).

A la cantidad de calor se le llama tambin entalpa, as pues, se puede decir la entalpa del agua en lugar de calor sensible y la entalpa del vapor en vez de calor latente

PRESIN: Es la aplicacin de una fuerza sobre un rea determinada y se expresa en Kg./Cm (sistema mtrico) o lb./ pulg.(sistema ingles) y se determina con la formula siguiente:

F donde: P = Presin (lb./ pulg o Kg./ Cm.)P = ------- F = Fuerza (Kg. o Lb.) A A = rea (Cm o pulg)

Una carga o fuerza actuando sobre un cuerpo o rea puede ocasionar mayor o menor efecto a medida que se concentra o se distribuye sobre este.

La conversin de presiones de un sistema a otro es:

1 Kg./ Cm = 14.22 Lb./ pulg y 1 Lb./ pulg = 0.0703 Kg./ Cm

Tipos de presiones:

Atmosfrica: Es la presin de la atmsfera ejercida sobre la tierra y se mide con un aparato llamado barmetro y se expresa en Bares (bar.), milmetros de mercurio (Hg.), Kg./ Cm, Lb./ pulg.La presin atmosfrica al nivel del mar es de: 1.01325 Bares = 14.696 Lb./pulg, as mismo, equivale tambin a 760 mm. de Hg., esta presin a su vez corresponde a 1.033 Kg./ Cm, por lo tanto.

760 mm. de Hg.1 Kg. / Cm = ----------------- = 735.7 mm de Hg.. 1.033 Kg./ Cm.

Para convertir la presin atmosfrica que tiene Monterrey que es de 715 mm de Hg. a Kg. / cm., tendremos:

715 mm de Hg.Presin atmosfrica = --------------- = 0.972 Kg./ Cm. 735.7 mm de Hg.

Por lo tanto, la presin absoluta de una caldera cuyo manmetro indica 7.5 Kg./ Cm en la Cd. De Monterrey, ser de:

Presin Absoluta = 7.5 + 0.972 = 8.472 Kg. / Cm.

Nota : Este valor es importante para encontrar todas las caractersticas que se requieren del vapor que se est generando porque todas se encuentran tabuladas en las tablas de vapor de Keenan & Keyes que estn basadas en la presin absoluta.

Manomtrica: Es la presin de un fluido o gas ejercida sobre una rea determinada de los cuerpos y se mide con un instrumento conocido como manmetro.

Absoluta: Es la suma de las presiones atmosfrica y manomtrica.

Otros tipos de presiones:

Presin de trabajo: En una caldera, es aquella presin que marca o indica el manmetro y que debe ser de un 20% por abajo de la presin de diseo.

Presin de diseo: Es la presin a la que est diseada la caldera para una operacin limite mxima.

1. CLASES DE VAPOR:

a).- Vapor Saturado: Es el vapor que se produce a la temperatura de ebullicin correspondiente a la presin deseada (absoluta). La presin absoluta es la presin atmosfrica donde se ubica la caldera ms la presin manomtrica de la misma.

b).- Vapor hmedo: Es el vapor que contiene partculas de agua en suspensin. (Es importante recordar que la calidad de un vapor se determina por el grado de sequedad en que se encuentra).

c).- Vapor seco saturado: Es aquel vapor que no contiene ninguna partcula de agua en suspensin (calidad = 100%).

d).- Vapor sobre calentado: Es el vapor seco saturado a una temperatura ms alta que la que le corresponde por su presin. Este vapor se obtiene envindolo o pasndolo por un serpentn sobrecalentado que se encuentra en contacto con el fuego, despus de que sali de la caldera.

Este tipo de vapor normalmente se utiliza para moverlas turbinas de vapor y no debe contener humedad para no oxidarlas porque son muy delicadas y precisas.

CABALLO CALDERA: La A.S.M.E. ha determinado que cuando se generan 15.65 Kg. (34.5 lb.) de vapor en una hora a 100 C (212 F), esto corresponde o equivale a un caballo caldera. Expresado en unidades trmicas, es: 970.3 BTU/Lb. x 34.5 Lb. = 33,475 BTU.

El factor de evaporacin se considera para el clculo de los Caballos caldera porque las calderas normalmente no evaporan a 100 C (212 F).

FACTOR DE EVAPORACIN (F. Evap.): Es el calor total de una libra de vapor que salga de la caldera, menos el calor contenido en una libra de agua de alimentacin, dividido entre 970.3 BTU/Lb. (calor latente, que es el calor necesario para llevar el agua de su punto de ebullicin a evaporacin, sin incremento de la temperatura.)

SUPERFICIE DE CALEFACCIN: La superficie de calefaccin de una caldera es la superficie del metal que est en contacto por un lado con el agua y por el otro lado con el fuego o gases calientes. Siempre se mide por el lado ms caliente, de tal forma que en una caldera de tubos de humo se medir por dentro de los tubos, hogar y espejos, y en una caldera de tubos de agua se medir por el exterior de los tubos y domos.

Las superficies de calefaccin unitarias de las calderas modernas son:

Calderas de tubos de humo: 0.4645 m/C.C. (5 pie/C.C.).Calderas de tubos de agua: 0.2415 m/C.C. (2.6 pie/C.C.)

SUPERFICIE DE LIBERACIN DE VAPOR: Es el rea que toma el nivel del agua que est en contacto directo con el vapor. Mientras mayor sea esta superficie se reduce la turbulencia que se forma al hervir el agua, y precisamente el exceso de turbulencia es la causa del arrastre de agua en el vapor.

CMARA DE VAPOR: Es el volumen comprendido entre la superficie de liberacin de vapor y la parte superior del envolvente.

TANQUE DE CONDENSADOS: Es el tanque donde se almacena el agua suavizada y los condensados de retorno para alimentar la caldera con agua de buena calidad a una temperatura apropiada (70 80C). y tiene tres funciones principales:

Mantener una reserva mnima de agua, suficiente para alimentar la caldera al menos durante 20 minutos.

Recuperar el agua suave de los condensados.

Precalentar el agua de alimentacin de la caldera a una temperatura ptima entre 70 80C.(no se recomiendan temperaturas mayores a 80C porque la bomba de condensados cavita es decir deja de bombear pues al succionar el agua muy caliente, en este punto baja la presin y como consecuencia el punto de ebullicin tambin, por lo que el agua hierve instantneamente y se convierte en vapor)

Componentes bsicos de un tanque de condensados:

Lnea o tubera de alimentacin de agua suave, con vlvula normalmente abierta pero regulada o controlada con un flotador para apertura y cierre, adems debe de contar con un By-pass con vlvula normalmente cerrada, el cual se utilizar cuando el flotador sufra algn dao y requiera ser cambiado o reparado.

Tubera de retorno para los condensados de baja presin, la cual se deber instalar en la parte superior del tanque.

Tubera de retorno para los condensados de alta presin, la cual normalmente se conecta en la parte baja de la tapa trasera del tanque instalndose una boquilla o espera atomizadora para amortiguar y servir como difusor del condensado a presin.

Termmetro, el cual se ubicara a un tercio de la parte inferior del tanque.

Indicador de nivel con mirilla de vidrio.

Tubo de ventilacin para expulsar excedencias de oxgeno y el CO2, mismos que son muy dainos dentro de la caldera ya que favorecen la oxidacin de los elementos metlicos, esta tubera podr conectarse con la ventilacin del tanque de enfriamiento de purgas de la caldera.

Tubera para derrame de excedentes de agua en caso de falla en el flotador, esta lnea deber instalarse en la parte superior de una de las tapas del tanque, y deber interconectarse con la tubera de la purga del tanque.

Tubera de descarga de condensados, que estar conectado a la succin de la bomba de condensados que se encargara de bombear el agua de alimentacin a la caldera.

Bombas de condensados: Existen 2 tipos bsicos de bombas utilizadas para alimentacin de agua de calderas:

Centrifugas de turbina regenerativa: Adecuada para presiones hasta 12 Kg./Cm (170 Lb./ pulg).

Centrifugas de pasos mltiples: Para presiones hasta 37 Kg./Cm (526 Lb./ pulg)

Las bombas de condensados se les conoce como Bombas de turbina regenerativa y son ideales para las condiciones siguientes.a).- Altas cargas y flujos bajos, b).- Manejo de lquidos calientes con vapores y gases (hasta un 20%), y c).- Flujos constantes.

La eficiencia de la bomba podr calcularse con la formula siguiente:

(G.P.M.) (Carga dinmica total) (Gravedad especifica)EFICIENCIA = ------------------------------------------------------- 3960 x B.H.P.

El caudal, flujo o gasto de la bomba deber de ser de 2 a 3 veces mayor que el consumo de agua de la caldera o de lo contrario no recuperara nunca el nivel en poco tiempo.

CALCULO TERICO DE LA POTENCIA DEL MOTOR DE LA BOMBA:

Conociendo el caudal y la presin deseada es necesario conocer la potencia del motor de la bomba seleccionada.

Con estos datos, an debe convertirse la presin de Kg./ cm a metros, para esto solo debe recordarse que cada 10 m de columna de agua equivalen a 1 Kg./ cm .

(Q) (H)HP = -------- (K) (E)

Donde: Q = Gasto o flujo en Lts/seg. o G.P.M. H. = Presin total, en metros o pies. K = Constante (76 para sistema mtrico y 3960 para sistema ingles). E = Eficiencia de la bomba que vara entre 30% y 80% dependiendo de la marca y la capacidad de la caldera

CALCULO PRCTICO DE LA POTENCIA DEL MOTOR DE LA BOMBA:

(C.C.) (P) HP = ----------- (435) (E)

Dnde: C.C. = Caballos caldera nominales. Presin de operacin, en Kg./ cm. Eficiencia, en fraccin

TANQUE DE PURGAS: El tanque de purgas es un recipiente a presin de alto riesgo, necesario en la operacin de calderas de vapor, un tanque que requiere de estricto apego a normas de fabricacin por cdigo. Recibe las purgas de la caldera en alta presin, debiendo lograr su expansin en corto espacio. Bajar la presin, para poder expulsar los lodos y sedimentos a la coladera del drenaje, sin presin. Por su amplia salida superior expande el vapor caliente, el cual debe ser guiado y expulsado a la atmsfera en un lugar alto y seguro, donde no exista peligro de contacto con seres vivientes o productos txicos o de peligro por calentamiento (altas temperaturas de vapor).

2. PURGAS DE FONDO Y DE SUPERFICIE:

Purgas de fondo: Sirven para desalojar los slidos totales disueltos y los slidos de los productos qumicos suministrados y que se han sedimentado en el fondo, as como tambin, las sales de calcio y magnesio residuales sedimentadas. Se recomienda hacerlas de la siguiente manera: Abrir primero lentamente la vlvula de apertura rpida e inmediatamente despus abrir la vlvula de apertura lenta; para detener la purga se realiza la operacin a la inversa, se cierra rpidamente la vlvula de apertura lenta y acto seguido la vlvula de apertura rpida.

Purga de superficie (desnatado): Sirve para evacuar o desalojar los slidos flotantes y la espuma generada por la reaccin de los productos qumicos dosificados, esta purga se recomienda realizarla antes de la purga de fondo, debido a la diferencia de presiones y para evitar que se afecte por la agitacin causada al purgar el fondo.

PRE-PURGA Y POST-PURGA DE GASES: Conocidas comnmente como barrido inicial y final de gases respectivamente, las cuales tienen como objetivo principal eliminar o desalojar de la caldera los vestigios o residuos de combustibles antes de alimentar los pilotos de combustin y posteriormente al finalizar cada ciclo de operacin de la caldera, con lo cual se evitara o se reducir considerablemente el riesgo de explosin de la caldera, por lo que el operador o fogonero deber estar atento y tener la seguridad de que estos se llevaron a cabo.

II.-PARTES DE UNA CALDERA:

CUERPO: Es propiamente el cilindro que tcnicamente se llama o se conoce como envolvente, su funcin principal es la de almacenar toda el agua que se va a evaporar y resistir la presin a la cual va a estar sujeto. El cdigo A.S.M.E especifica que para su fabricacin se debe utilizar placa de acero de calidad SA-515 grado 70 que tiene una resistencia a la presin de 1,230 Kg./ cm.

HOGAR: Aqu es donde se lleva a cabo la combustin, el combustible se quema y empieza o comienza a ceder calor al agua. En las calderas modernas, como veremos ms adelante, este hogar es un tubo de menor dimetro que el envolvente y va metido dentro de l. El cdigo A.S.M.E. recomienda el empleo de placa de calidad SA-285-C que resiste 970 Kg./ cm de presin (menor que la del cuerpo o envolvente). Sin embargo, hay fabricantes que para dar mayor seguridad utilizan placa SA-515 grado 70 (como la del envolvente) sin importar su costo. Actualmente, algunos fabricantes utilizan el hogar de can corrugado, una caldera con tubo de can corrugado tiene una vida til 3 veces mayor que las fabricadas de can liso, el tubo de can corrugado absorbe las expansiones y contracciones del acero, evitando fatigas con tendencias a ruptura en los espejos del cuerpo de presin, est fabricado con placa A-285-C, y es corrugado en caliente.

ESPEJOS: Son las tapas que lleva el cilindro del cuerpo o envolvente en cada uno de sus extremos y lleva muchas perforaciones o agujeros donde van colocados los tubos fluxes y el hogar. El cdigo A.S.M.E recomienda utilizar la placa calidad SA-285-C, pero tambin algunos fabricantes para brindar mayor seguridad utilizan placa calidad SA-515-70.

FLUXES: Son los tubos que conducen los gases calientes a travs de la caldera cediendo el calor al agua hasta que esta hierva y se convierta en vapor. El cdigo A.S.M.E recomienda fabricarlos con acero de calidad SA-178-A, cuyas dimensiones tienen tolerancias precisas para que no tengan holgura en los agujeros de los espejos.

TIRANTES: Los tirantes son barras metlicas que se soldan en forma inclinada sujetando al espejo con el cuerpo o envolvente y su funcin principal es reforzar al espejo en la parte superior o sea en la cmara de vapor en donde la ausencia de fluxes hace que esa parte del espejo sea ms dbil y tienda a abombarse a causa de la presin interior.

CHIMENEA: Es el conducto por el cual salen a la atmsfera los gases producto de la combustin y el calor no aprovechado. Las causas que pueden originar una alta temperatura en los gases de la chimenea y que adems causan una baja eficiencia en la caldera, son:

Aire en exceso, ms de lo recomendado para su carburacin. Mampara divisoria, sello, refractario o piedras en mal estado. Caldera hollinada. Caldera incrustada (tambin genera recalentamiento del material). Termmetro desajustado.

Nota: La temperatura de los gases de la chimenea deben ser aproximadamente 7080C, arriba de la temperatura del vapor a la presin dada.

Presin absoluta del vapor (Kg./ cm.)Temperatura del vapor (C)Temperatura de los gases en la chimenea (C)

2.0119.6199.6

2.5126.7206.7

3.0132.8212.8

3.5138.1218.1

4.0142.8222.8

4.5147.1227.1

5.0151231

5.5.154.6234.6

6.0157.9237.9

6.5161.1241.1

7.0164244

7.5166.8246.8

8.0169.5249.5

8.5172252

ACCESORIOS DE CONTROL Y SEGURIDAD:

Vlvula de seguridad: Este accesorio es el ms importante de una caldera, ya que si se encuentra en buenas condiciones reduce significativamente los riesgos de operacin. As como en una olla de presin se bota un tapn permitiendo escapar o desfogar la presin cuando esta aumenta en exceso, as tambin, las vlvulas de seguridad de una caldera evitan que estas exploten por un exceso de presin de vapor abriendo a la presin de seguridad que previamente se ha calibrado y permitiendo liberar rpidamente todo el exceso de vapor.

Control de nivel de agua (Mc. Donnell & Miller): Este control es indispensable para toda caldera de operacin automtica, pues mediante un flotador detecta cuando le falta agua a la caldera y manda una seal a la bobina del arrancador del motor de la bomba de condensados para que opere y restablezca el nivel de agua. Es importante mencionar que cuando el nivel de agua de la caldera baja demasiado ya no ordena a la bomba inyectar ms agua sino que manda seal para apagar el quemador para evitar una de las causas que ha originado mayores explosiones: cuando la caldera se queda sin agua y el operador hace trabajar indebida o irresponsablemente a la bomba ocasiona una evaporacin sbita o explosin.

Punto A, Alto nivel de agua: La bomba de alimentacin de agua a la caldera corta o se apaga en este punto.Punto B, Bajo nivel de agua: La bomba de condensados opera o arranca para restablecer el nivel de agua hasta el punto A.

Punto C, Bajo nivel crtico: Se apaga el quemador de la caldera.

Este control de nivel tiene incluido un cristal de nivel de agua para que el operador o fogonero pueda visualizar las variaciones de nivel de agua en la caldera, as como tambin, tiene instalados unos grifos o vlvulas de prueba para utilizarlos en caso de que el cristal se rompa, mientras se repone.

Control auxiliar de nivel de electrodos (Warrick): Algunos fabricantes incluyen otro tipo de control adicional para proteger a la caldera contra un bajo nivel de agua en el caso de una posible falla de control de nivel del flotador, lo cual puede ocurrir si las tuberas que lo comunican con la caldera llegaran a taparse por exceso de sarro por usar agua sin tratamiento o por no purgar peridicamente la tuberas. Su principio de funcionamiento es que al bajar el nivel de agua la varilla sensora al no detectar nivel de agua manda apagar la caldera.

Control de lmite de presin (Presuretrol de limite): En este instrumento se ajusta a voluntad la presin de operacin deseada (sin rebasar la presin mxima de operacin), su operacin es similar al control de los compresores de aire, o sea que arranca cuando la presin baja a un determinado limite (ajustable) y para o se apaga cuando llega a un valor adicional (ajustable).

Control de presin modulante: Este aparato de control es parecido al anterior, solo que a partir de la presin deseada (MAIN) empieza a mandar una seal proporcional al motor modutrol para modular la flama durante el rango ajustado llamado diferencial (DIF). Este control es un potencimetro variable. Cuando baja la presin, dentro del rango diferencial, pide ms calor y la flama crece; y cuando va llegando a la presin lmite de regulacin la flama va decreciendo gradualmente.

Motor modulador: Este es un motor especial que solo gira 90 grados hacia un sentido o hacia el otro de acuerdo con la presin que le manda el control de presin modulante.

Control programador: Este instrumento es el cerebro de la caldera y es el que se encarga de realizar la secuencia adecuada del encendido y apagado de la caldera, tiene una serie de componentes electrnicos. Tambin controla una celda fotoelctrica (foto celda) que se encarga de observar constantemente el interior del hogar y cuando falla la flama manda apagar la caldera y cierra la vlvula solenoide del combustible.

Compuertas de alivio para sobre presiones de gas de combustin: Su funcin principal es aliviar explosiones dentro del tubo can (hogar) de la caldera, normalmente deben ser instaladas entre el segundo y tercer paso de los gases de combustin, se les considera como el elemento de mayor importancia para la proteccin de una caldera ya que actan como vlvulas de seguridad del lado de los gases de combustin, estn calibradas a presiones relativamente bajas (aprox. 30 columna de agua). Las explosiones o toritos se presentan cuando las vlvulas solenoides del paso del combustible no logran un cierre hermtico, o cuando existe una fractura en la porta boquillas del atomizador de combustible. Si la caldera no contara con estas compuertas de alivio o estas estuvieran instaladas entre el tercer y cuarto paso, se estima que la tapa trasera volara unos 40 metros o atravesara 5 paredes de ladrillo.

Elemento fusible por temperatura (arriba del Mc. Donnell & Millar):

IV.- REGLAS DE LOS NUNCA:

Nunca trate de alimentarle agua a la caldera cuando el nivel del agua en el cristal haya desaparecido.

Nunca bloque los relevadores con palos u otras cosas.

Nunca opere manualmente los programadores y relevadores.

Nunca reduzca el tiempo de barrido inicial de los gases del hogar.

Nunca instale puentes en interruptores lmite de los controles de seguridad.

Nunca intente encender su caldera si antes no ha observado el hogar.

Nunca deje abiertas las vlvulas del combustible al fin de la jornada.

Nunca deje energizado el circuito automtico al parar su caldera.

Nunca se pare frente al quemador al hacer el primer intento de encendido.

Nunca deje ms de 2 meses sin accionar la palanca de sus vlvula de seguridad para evitar que sus sellos se peguen (o bien realizar una prueba con carga incrementando la presin de la caldera hasta un punto un poco mayor que la presin a que estn calibradas las vlvulas de seguridad.).

Nunca alimente agua fra cuando la caldera este caliente.

V.- POR QU EXPLOTAN LAS CALDERAS? :

Las calderas modernas se construyen segn normas de fabricacin de prestigio internacional y estn provistas de equipos automticos de operacin y seguridad haciendo pensar a algunos usuarios que ellas no requieren la atencin de operadores certificados, y ponen sus unidades en manos de gente con poca o nula experiencia que no sigue las reglas de operacin en forma debida, muchos de ellos piensan que su caldera al ser completamente automtica est protegida contar accidentes, sin entender que todo recipiente sujeto a presin bajo fuego es potencialmente peligroso y que los controles automticos no sustituyen a las reglas de seguridad.

BAJO NIVEL DE AGUA: Las estadsticas de accidentes nos indican que la mayor parte de ellos se debe al bajo nivel de agua que provoca sobrecalentamiento y debilitamiento de los tubos, hundimiento del hogar y en algunas ocasiones la destruccin total de la caldera por una explosin desastrosa que produce graves prdidas materiales y vidas humanas. La mayora de las calderas, entre unos tantos accesorios, se equipan de sistemas automticos y de controles corta combustible por bajo nivel para que puedan operar correctamente y protegerlas por sobrecalentamiento en fallas comunes. Esto, a algunos usuarios les da una falsa sensacin de seguridad y parece no preocuparles ms al observar su funcionamiento ordinario y normal. Los sistemas automticos de alimentacin de agua, igual que cualquier aparato automtico, funcionar bien tal vez cien o mil veces, pero algn da, tarde que temprano, fallaran con resultados desastrosos. En relacin con el control de nivel de agua (Mc. Donnell & Miller), es importante comentar que el funcionamiento de este se debe estar checando con frecuencia, porque si por falta de purgas de la tubera que conecta al dicho control, estas llegan a obstruirse entonces el control sigue detectando un falso nivel de agua dentro de la caldera y dejara de mandar la seal elctrica al arrancador de la bomba y como consecuencia la caldera ya no recibir agua hasta que el hogar queda descubierto y con el quemador operando. Si en ese momento el operador inexperto observa el cristal y no detecta agua, tratara de puentear el arrancador de la bomba para hacerla funcionar y reponer el nivel. La caldera en estas condiciones se someter a una evaporacin sbita tan potente que causar una devastadora explosin destruyendo todo lo que este en un radio considerable de la caldera con los efectos indeseables de prdidas materiales y humanas. Por esta razn, es muy recomendable instalar adicionalmente un control auxiliar de nivel por electrodos (Warrick) que mandar apagar la caldera cuando no detecte o sense nivel de agua.

COMBUSTIBLE EN HOGAR: Las explosiones del lado del fuego se producen bsicamente por la falta de una pre-purga y post-purga adecuada en el barrido de gases por la anormal dosificacin de combustible al iniciarse un ciclo de operacin. La funcin de la pre-purga es la eliminacin de vestigios indeseables de combustible y comburente antes de alimentar los pilotos de combustin. Operadores con poca experiencia o exceso de confianza han reducido o eliminado intencionalmente el tiempo de pre-purga en una caldera, teniendo la desgracia de pagar con su vida su ignorancia e imprudencia. En este punto se puede advertir que es necesario tener la absoluta seguridad de que antes de iniciar un ciclo de operacin por cualquier medio, debe existir una intensa pre-purga que elimine el riesgo de explosin en el hogar y que puede ser tanto o ms desastrosa que la explosin del propio recipiente a presin.

VLVULAS DE SEGURIDAD: Ciertos tipos de vlvulas de seguridad presentan defectos de diseo que despus de un corto periodo de funcionamiento el disco tiende a pegarse llegando a inutilizarla. La falta de observaciones y accin preventiva en el lagrimeo de una vlvula de seguridad, as como la ausencia de revisiones y pruebas peridicas favorecen la acumulacin excesiva de materias extraas que pegan el asiento de las vlvulas.

VI.-CALIDAD DEL AGUA DE ALIMENTACIN A LAS CALDERAS:

TRATAMIENTO DE AGUAS:

Introduccin: La eficiencia con que operan las calderas de vapor, y por consiguiente el costo de operacin de estas, as como la seguridad en su operacin y su durabilidad, dependen en gran medida de la calidad del agua con que se alimentan. El tratamiento que se requiere dar al agua, tanto el externo como el interno, debe ser diseado y adecuado por personal capacitado para asegurar que los efectos nocivos de los compuestos acarreados por el agua sean reducidos al mnimo. Frecuentemente quienes instalan un suavizador piensan que ya han resuelto todos los problemas de la calidad del agua de sus calderas, pero no es as. El suavizador solo convierte las sales incrustantes de calcio y magnesio en sales no incrustantes que es necesario purgar para evitar que produzcan concentraciones elevadas y espmeas. El suavizador no tiene ningn efecto sobre la acidez, la slice, el oxgeno disuelto, los lodos, etc. y hay que pensar en ellos y tratar el agua para que no causen incrustacin. Otra cosa importante es llevar una bitcora de los resultados de los anlisis realizados diariamente. Por lo anterior, es indispensable que los operadores de calderas conozcan los fundamentos del comportamiento del agua al interior de los generadores de vapor y las ventajas que conlleva para sus sistemas un buen diseo y aplicacin de un programa de tratamiento del agua.

Slidos disueltos:

Las impurezas en el agua de alimentacin se concentran en la caldera: Prcticamente todas las aguas de alimentacin a las calderas contienen slidos disueltos. Cuando el agua de alimentacin se calienta, se evapora y sale de la caldera como vapor destilado dejando las impurezas atrs. Entre ms y ms agua se evapora en la caldera, se aade ms lquido para reemplazarla, como resultado de esto, la cantidad de slidos disueltos al interior de la caldera aumenta gradualmente. En poco tiempo se acumula una gran cantidad de estos en el agua de la caldera, provocando que no hierva como agua ordinaria, sino como una especie de jarabe.

Ciclos de concentracin: La cantidad de un material disuelto en un lquido se mide en partes por milln (ppm). A todas las impurezas disueltas en el agua se les conoce como slidos disueltos totales (SDT). Una parte por milln (ppm) equivale a un kilogramo de slido disuelto de que se trate, en un milln de kilogramos de agua. Como el agua pesa un kilogramo por litro, una ppm equivale a un kilogramo en un milln de litros de agua. Si un determinado tipo de agua tiene un total de SDT de 500 ppm y la concentramos 2 veces o dos ciclos, el nivel o la concentracin de SDT final ser de 1000 ppm, con tres ciclos ser de 1500 ppm, con cuatro ciclos ser de 2000 ppm y as sucesivamente. Por ejemplo, si una caldera de 100 caballos puede evaporar 37,500 litros de agua en 24 horas de trabajo continuo y el agua de alimentacin tiene 340 ppm de SDT, se quedaran dentro de la caldera 12.75 Kg./da de slidos.

Dureza del agua: A las aguas con alto contenido de sales minerales de Calcio y Magnesio se les conoce como aguas duras probablemente del ingls hard to wash with, debido a que con este tipo de aguas es muy difcil de lavar. La dureza en el agua de la caldera indica la presencia de impurezas relativamente insolubles; estas se clasifican en: a) slidos disueltos, b) gases disueltos, y c) slidos en suspensin. En el proceso de calentamiento y concentracin del agua de la caldera, estas impurezas precipitan ms rpidamente debido a que son menos solubles en alta temperatura. La cantidad de dureza puede variar desde algunas ppm hasta ms de 500, como los compuestos de Ca y Mg son relativamente insolubles en agua, tienden a precipitar fcilmente causando problemas de incrustacin y depsitos, y este proceso de precipitacin ocurre principalmente sobre las superficies calientes y se le conoce como incrustacin.

Corrosin del sistema de condensado: El tipo de corrosin ms comn en estos sistemas es la causada por el Dixido de Carbono (CO2), este entra al sistema con el agua de alimentacin en forma de sales de carbonato o bicarbonato (alcalinidad) que cuando se ponen en contacto con el agua interior de la caldera a alta temperatura, estos compuestos se rompen formando CO2 que es transportado por el vapor y se condensa en las tuberas y equipos que forman el sistema de condensados, transformndose en acido carbnico (H2CO3).

Arrastre de agua:

Generalidades: El arrastre de agua ocurre cuando una porcin del lquido entra al sistema de distribucin de vapor y se forma una especie de embolo de agua que viaja a la misma velocidad del vapor. Existen varias causas que pueden provocar esto, como son: un aumento repentino en la demanda del vapor, cadas bruscas en la presin del sistema, purgas violentas, la apertura rpida de vlvulas en el sistema de distribucin, tamao inadecuado del cabezal de vapor, o aumento repentino de la cantidad de condensados en una tubera. Una condicin tpica en que ocurre el arrastre de agua se da cuando la caldera ha alcanzado la presin de trabajo y el operador abre rpidamente la vlvula de distribucin del cabezal de vapor, en pocos minutos se observara que el nivel de agua oscila de arriba hacia abajo, oscilacin que puede volverse bastante violenta y causar que la caldera se pare debido a que el sensor de nivel de agua interpreta esto como bajo nivel de agua. Lo que ocurri en realidad es que toda la tubera de distribucin y el equipo de intercambio de calor al que el cabezal suministra vapor se encuentran fros y el vapor se condensa rpidamente, quizs formando un vaci, lo que causa que dentro de la caldera se produzca una ebullicin violenta, y con esto se produce una serie de oscilaciones en la superficie del agua que alcanza la tobera de vapor. La elevacin del nivel de agua no se puede mantener y cae rpidamente iniciando un efecto de vaivn y se inicia un efecto de ola que permite que el agua entre al sistema de vapor intermitentemente, lo que es una condicin peligrosa que puede ocasionar alteraciones a la circulacin del agua en la caldera y provocar daos al equipo al producirse el llamado Golpe de ariete cuando la porcin del agua impacta a una velocidad muy alta, los elementos del sistema de distribucin de vapor o de los equipos. Una buena prctica para evitar esto es aumentar gradualmente la temperatura del agua de la caldera, abrir lentamente las vlvulas, para permitir que todo el sistema se caliente gradualmente y se estabilice su temperatura antes de introducir una demanda brusca de vapor.

Purga de superficie: La purga continua, tambin llamada de superficie o desnatado, es lo ms efectivo para controlar la concentracin de slidos en el agua de la caldera. Donde se utiliza el sistema de purga continua, la purga de fondo o de lodos se utiliza para eliminar las impurezas precipitadas.

Pureza del agua de alimentacin: La pureza del agua de alimentacin depende de la cantidad de impurezas y de la naturaleza de estas. Algunas impurezas como la dureza, hierro, y slice, por ejemplo, son de mayor preocupacin que las sales de Sodio. Los requerimientos de pureza dependen de cunta agua de alimentacin se utiliza y del diseo particular de la caldera de que se trate. As mismo, la presin, grado de transferencia de calor, y equipo instalado en el sistema, como turbinas, pistones, etc., tienen que ser considerados para definir la pureza del agua de alimentacin. Una caldera de tubos de humo a baja presin puede, normalmente tolerar una dureza alta de agua mediante un tratamiento qumico adecuado, mientras que prcticamente todas las impurezas deben ser eliminadas del agua para las calderas modernas de tubos de agua y alta presin.

Acarreo de agua en el vapor: El agua evaporada para producir vapor no debe contener materiales contaminantes, sin embargo, el vapor puede acarrear junto con l, gotas de agua debido a la neblina que se forma cuando hierve el agua producindose muchas gotas de agua pequeas que se proyectan hacia arriba de la superficie mezclndose con el vapor.

Acarreo de espuma: La alcalinidad, el contenido de los slidos en suspensin (SST) y los slidos disueltos totales (SDT), interactan para formar una espuma dentro de la caldera. Una capa ligera de espuma ayuda a reducir la formacin de humedad hasta cierto punto, pero una capa gruesa de espuma es otra fuente de arrastre de lquido dentro de la corriente de vapor. La espuma puede ser eliminada agregndole un agente antiespumante al dispersante de lodos.Arrastre de agua: El arrastre de agua se explica por la entrada de volmenes considerables de agua en exceso dentro del domo de vapor, el cual vierte este exceso dentro del espacio de vapor y es arrastrado hacia el cabezal. Este arrastre es causado, en la mayora de los casos, por un problema mecnico o propiedades mecnicas, como puede ser un control de alimentacin de agua mal ajustado o procedimientos incorrectos de purga.

Acarreo de slidos disueltos:

Acarreo de slice: La slice dentro del agua de la caldera puede evaporarse y entrar en la corriente de vapor, independientemente del arrastre de agua. Cuando esto ocurre, la slice puede formar un deposito en los alabes de las turbinas y otros equipos al condensarse el vapor. Esto puede ser controlado manteniendo un bajo nivel de slice en el agua de la caldera. Los lmites recomendados dependen de la presin de trabajo de la caldera y se muestran en la tabla siguiente:

Presin de trabajo (Kg./cm2)Contenido de Slice permitido, como SiO2 (ppm)

0 -1200

1 10200

10 21150

21 3290

32 4240

42 5330

53 y mas20

La mejor manera de determinar si existe acarreo de Slice, es la medicin de la conductividad del vapor, una conductividad de 20 a 30 micromhos indica que existe muy poca probabilidad de que exista un acarreo significativo

Factores que influyen en el arrastre de slidos: La siguiente tabla indica los factores que influyen en el arrastre de slidos disueltos:

Factores mecnicosCondicin del aguaOperacin

Diseo de la calderaTipo de fuente y cantidad de reposicinCapacidad

Dimensin de domosCiclos de concentracin Variaciones en capacidad

Cantidad de domosAlcalinidadPresin de trabajo

Accesorios en domosContenido de materia orgnica.Nivel de agua

Circulacin del aguaSlidos en suspensin.Variaciones en el nivel

Superficie de calefaccin radianteTipo de tratamiento qumico.Slidos en purgas

Superficie de calefaccin por conveccinCapacidad de espumeo.Vlvulas de seguridad en mal estado

Corrosin: Los gases no condensables son aquellos que no se condensan a la temperatura normal del agua cruda y entran al sistema de generacin de vapor arrastrados por el agua. Los ms comunes y dainos son el oxgeno disuelto en el agua y el bixido de carbono (CO2). El oxgeno disuelto ataca al Hierro y forma hidrxido frrico, esta corrosin se presenta como ampollas en la superficie del metal y con el tiempo puede llegar a perforarlo. El CO2 ataca al metal, especialmente cuando est en presencia de oxgeno disuelto. En las tuberas de retorno de condensados se puede llegar a presentar corrosin debido a la presencia de Oxgeno disuelto y de CO2 producido por la transformacin de los bicarbonatos contenidos en el agua que se convierten en carbonatos al elevarse la temperatura de esta. Para la eliminacin del oxgeno disuelto en el agua de alimentacin se requiere un desaereador, en donde el agua de repuesto y el retorno de condensados son mezclados, calentados y agitados mediante la inyeccin de vapor vivo. Esta accin separa al oxgeno y otros gases no condensables del agua, los cuales salen por el tubo de venteo junto con una pequea cantidad de vapor. El oxgeno tambin puede eliminarse por medio de un tratamiento qumico a base de sulfito de sodio como catalizador, que reacciona con el oxgeno, produciendo sulfato de sodio el cual no provoca corrosin.

Tratamiento:

Agua de repuesto: El agua de repuesto es la que se aade a la caldera desde una fuente externa (red municipal), para reemplazar la que se pierde en la caldera y el sistema de distribucin de vapor y el retorno de condensados. La uniformidad de la calidad del agua de repuesto es muy importante para disear y operar con confiabilidad el sistema de tratamiento de agua de la caldera. Algunos mtodos para mejorar la calidad del agua son los siguientes:

A).- Ablandamiento con cal y bicarbonato de sodio.B).- Intercambio de iones en general.C).- Intercambio de iones de sodio.D).- Intercambio de iones de Hidrogeno.E).- Deionizacin.F).- De alcalinizacin.G).- Destilao.H).- Osmosis inversa.(I). - Electrodilisis.

Purgas: La purga de la caldera es un mecanismo para su operacin limpia y segura, sin embargo, no debemos olvidar que el agua purgada que sale de la caldera lleva una cantidad considerable de energa. El ahorro de energa requiere que se mantenga la mayor cantidad de ciclos de concentracin permitidos en el agua de la caldera.

Purgas de fondo: En muchas instalaciones, no obstante apegarse a un programa estricto de purgas de fondo, se tienen problemas por excesiva formacin de lodos en el domo inferior. Esto puede ser debido a que es insuficiente el tiempo en que se mantiene la vlvula de purga abierta; en la prctica se ha demostrado que la purga de fondo es ms efectiva si se realizan purgas ms frecuentes y de corta duracin (10 20 segundos), que purgas ocasionales de larga duracin Los primeros segundos de la purga son ms efectivos. Si se mantiene la purga de fondo por un periodo largo, se crean problemas de turbulencia que agitan los lodos depositados en el fondo y pueden ser arrastrados hasta los tubos de generacin, donde se calientan y se endurecen provocando incrustacin.

Calculo de la purga: La cantidad de agua que se debe purgar es crtica para controlar los SDT (slidos disueltos totales).

Consideraciones:a).- La cantidad de agua que se alimenta a la caldera debe ser igual a la del agua que se pierde.b).- Sea:

A = Cantidad de agua de alimentacin (Kg./hr).V = Cantidad de vapor generado (Kg./hr).P = Cantidad de agua purgada (Kg./hr).

Entonces: A = V + P

c).- La cantidad de purga puede relacionarse con la cantidad de agua de alimentacin utilizando los Ciclos de concentracin (Cc): Cc = A/P Donde: Cc = Ciclos de concentracin A = Cantidad de agua de alimentacin. (Kg./hr). P = Cantidad de agua purgada. (Kg./hr).

En la tabla siguiente se muestran los valores sugeridos por la asociacin americana de fabricantes de calderas (AMBA) como lmites de composicin del agua para obtener una buena calidad de vapor, para varias presiones de trabajo.

Presin en la caldera (kg/cm2)Slidos disueltos totales (ppm)Alcalinidad (ppm)Slidos en suspensin (ppm)Slice (ppm)

0 - 20 3,500700300125

21 303,00060025090

31 - 422,50050015050

43 522,00040010035

53 631,5003006020

64 70 1,250250408.0

71 1051,000200202.5

106 140750150101.0

141 - mayores50010050.5

La siguiente tabla muestra los lmites de contenido de elementos en agua de alimentacin de calderas:

Presin de la caldera.(kg/cm2)Hierro (ppm Fe2)Cobre (ppm Cu)Dureza total (ppm CaCO3)Slice (ppm SiO2)Alcalinidad Total (ppm CaCO3)Conductancia especfica (microhmio/cm.)

0 200.1000.0500.3001503503,500

21 300.0500.0250.300903003,000

31 420.0300.0200.200402502,500

43 520.0250.0200.200302002,000

53 630.0200.0150.100201501,500

64 700.0200.0150.05081001000

71 1050.0100.010ND2NE150

106 - 1400.0100.010ND1NE100

ND = no detectado NE = no especificadoPotencial de Hidrogeno (pH): En 1909, el qumico Dans Sorensen defini el potencial de Hidrogeno (pH) como el logaritmo negativo de la concentracin molar (ms exactamente de la actividad molar) de los iones Hidrogeno.

(pH)Conc. HConc. OHP (OH)

Bsico140

Bsico131

Bsico122

Bsico113

Bsico104

Bsico95

Bsico86

Neutro77

Acido68

Acido59

Acido410

Acido311

Acido212

Acido113

Acido014

PARMETROS:

Tabla de anlisis tiles para el control de aguas de calderas.Tipo de aguaUsado para prevenir o controlar

Anlisis fsico-qumicoCorrosinIncrustacinFragilizacionArrastres

Agua Cruda: Acidez o alcalinidad. Dureza de Ca y Mg.X

X

Agua suavizada: Acidez o alcalinidad. Dureza de Ca y Mg.X

X

Agua de alimentacin: Acidez o alcalinidad. Dureza de Ca y Mg.XXX

Agua de la caldera: Acidez o alcalinidad. Hidrxidos Fosfatos Sulfitos Nitratos.XX

XXXX

XX

X

X

Lmites mximos permisibles para calderas de 0 21 Kg./Cm2 (0 300 Lb./Pulg.2)ParmetrosValor aceptablemg/l (ppm)Valor limitemg/l (ppm)

Dureza total como Ca Co300

Alcalinidad total como Ca Co3500700

Slidos totales disueltos20003500

Slidos en suspensin300600

Slice como Si O2100133

Oxgeno disuelto00.015

pH9.59.5

Hidrxido como Na2 SO3150300

Aceite01.0

Sulfito de sdio como Na2 S033060

Fosfato como PO43050

Materia orgnica5075

DUREZA COMPENSADA: Al seleccionar el equipo de acondicionamiento de agua (suavizadores), la dureza debe basarse en el valor de la Dureza compensada; la dureza compensada toma en consideracin los minerales y otros factores que reducen la capacidad del suavizador. Estas partidas no pueden sacarse u obtenerse de una prueba de dureza estndar, para llegar a la dureza compensada, se debe multiplicar la cifra o el factor de la derecha (ver tabla siguiente) por la dureza expresada en mg./Lt, o ppm como Ca CO3 o granos por galn.

VII.-EQUIPOS PARA TRATAMIENTO DE AGUAS DE CALDERAS:

Tanque de salmuera: Bsicamente es un tanque normalmente cilndrico donde se diluye la sal con agua para producir la salmuera que se utilizar para regenerar la resina agotada contenida en el equipo suavizador, el tamao o volumen depender de la cantidad de resina del suavizador que ser regenerada, normalmente es de 15 lb. De sal por cada pie de resina, adems de la cantidad de agua utilizada para la dilucin de la sal. Para realizar las diluciones de la sal en agua se deber tener en cuenta la informacin siguiente:

La salmuera saturada es cuando la sal se disuelve en el agua a un 26% en peso.1. Un litro de salmuera al 26% tiene 0.31 Kg. de sal (un galn tiene 2.6 lb.) a una temperatura de 27 C.2. Un litro de solucin de salmuera al 26% pesa 1.2 Kg. (un galn pesa 10 lb.).3. Un M de salmuera al 26% tiene 313 Kg. de sal (un pie tiene19.5 lb.).4. Un M de salmuera al 26% pesa 1205 Kg. (un pie pesa 75 lb.).5. El peso especfico de la salmuera al 26% es de 1.2.6. La sal en grano grueso nmero 2, representa el 46% del espacio en un tanque con sal, y los huecos ocupan el 54% restante.

Calculo para determinar la capacidad disponible de suavizacin por corrida, expresada en galones o m.

Conociendo la cantidad de resina que tiene cada tanque y su dosis de sal para regeneracin, calcularemos la capacidad de suavizacin por corrida, usando los valores y formula siguiente:

Dureza = 400 mg. /litro = 400/17.1 = 23.39 granos/galn.

Un pie de resina elimina 30,000 granos de dureza

(Capacidad por pie) (pies de resina)Capacidad = -------------------------------------- (Granos de dureza/galn).

Calculo para determinar la eficiencia de la salmuera para regenerar la resina de un suavizador.

Eficiencia es el nmero de granos de dureza removida por libras de sal utilizada para regenerar, la eficiencia terica mxima es de 6000 granos por libra.

Para calcular la eficiencia, solo basta con multiplicar los granos por galn (G.P.G.) del agua de alimentacin, por el total de galones de agua procesados o utilizados entre cada corrida, y dividirlo entre el nmero de libras de sal por pie usados para regenerar.Supongamos una dureza de 400 mg/litro, para determinar los granos/galn es necesario dividir este valor de la dureza en mg/litro, entre 17.1 y as obtendremos la dureza expresada en granos/galn.

400 mg/lt Dureza = ----------- = 23.39 17.1

(23.39 Granos/galn) (19,237.5 galones)E = ----------------------------------------- = 1,999.845 granos/libra. (15 lb. / pie de sal) (15 pie de resina) 1,999.845 granos/lb. Eficiencia = --------------------- = 0.3333 = 33.33 % 6000 granos/lb.

SUAVIZADOR DE INTERCAMBIO INICO: El intercambio inico es un proceso de separacin de iones. Un ion es un tomo o grupo de tomos cargados elctricamente. Estos iones se clasifican por su intercambio. Los iones cargados positivamente son llamados cationes, ya que stos emigran al ctodo o electrodo negativo. Los iones cargados negativamente son llamados aniones, ya que estos emigran al nodo o electrodo positivo en una celda galvnica. Los cationes comnmente encontrados en el agua son calcio, magnesio, sodio, hierro y manganeso, presentndose como bicarbonatos, carbonatos, cloruros, sulfato y nitrato. Hay ocho compuestos que generalmente se asocian con el problema de la dureza, estos compuestos son divididos en dos clasificaciones en relacin a su facilidad de remocin. La dureza temporal puede ser causada por bicarbonato de calcio, carbonato de calcio, bicarbonato de magnesio, y puede ser removida mediante la ebullicin del agua. La dureza permanente es causada por el cloruro de calcio, sulfato de calcio, sulfato de magnesio, y cloruro de magnesio. Estos compuestos tambin son llamados dureza no carbonatada. Los problemas de dureza son ocasionados por los cationes calcio y magnesio, si estos son removidos para reemplazarlos por cationes de sodio, los problemas de la dureza pueden ser eliminados. La separacin de los iones y el intercambio es logrado por el uso de una columna de resina aninica insoluble que es mantenida neutra por iones sodio. Al pasar el agua conteniendo los cationes calcio y magnesio por la columna de resina, los cationes de calcio y de magnesio se adhieren a la resina y son reemplazados por cationes de sodio que tena la resina, los cationes de sodio no producen problemas de dureza, as el agua suave es descargada a servicio. La columna de resina puede suavizar el agua mientras contiene cationes sodio, al alcanzar el contenido de sodio el agotamiento, la resina debe ser regenerada con sal (NaCl). Para regenerar el suavizador, se usa una solucin fuerte de salmuera, la cual forzar al calcio y al magnesio de regreso a la solucin. Los cationes de sodio contenidos en la salmuera se adhieren a la resina para mantenerla elctricamente neutra. Es muy importante mencionar que el flujo mnimo de servicio de un suavizador es de 3 GPM/pie del rea superficial del tanque, esto es para evitar la canalizacin del flujo a travs de la resina. Conociendo el rea superficial del suavizador instalado que es de 4.91 pie2, podremos determinar el flujo mnimo que deber pasar por este para evitar la canalizacin del flujo mencionada:

Flujo mnimo = (3 GPM)(4.91pie) = 14.73 GPM = 80 m/da Resina cationica utilizada: Roman Hass IR-120 y RIC - 116

VIII.- MANTENIMIENTO DE UNA CALDERA:

Abrir la caldera.

Debe estar totalmente fra.Pararla y ventilarla con tiro forzado.Suministrarle agua fra y estar purgndola a la vez

Quitar los registros de la parte superior.

Primero purgar la caldera hasta la primera fila de tubos (fluxes) para verificar visualmente las condiciones de limpieza (incrustacin, oxidacin..).

Limpieza qumica: Si la caldera esta incrustada hay que proceder a efectuar la limpieza qumica (25% del volumen de agua de la caldera de producto qumico).

Preparacin de la solucin qumica: Por cada 100 litros de cido clorhdrico (muritico) adicionar 0.500 litros de inhibidor de corrosin.

0.5 litros de inhibidor de corrosin --------------- 100 litros de acidoX litros de inhibidor son requeridos ------------- 1,566.25 litros de cido.

(1,565.25 litros de cido) (0.5 litros de inhibidor)X = ------------------------------------------------- = 7.82 = 8 litros de inhibidor. (100 litros de cido)

Dosificacin de la solucin qumica: una vez que se dosifica se recomienda que se repose unas 12 24 horas dependiendo del grado de afectacin de la incrustacin de sales, posteriormente se purga y luego se lava con una solucin alcalina (para eliminar trazas o residuos de cido) compuesta de 2 Kg. de NaCO2 por cada 1000 litros de agua.

Quitar los registros restantes y lavarla muy bien con agua a presin.

Limpieza interior de los tubos (fluxes):

A esta operacin se le conoce como deshollinada y debe realizarse con escobillones de alambre, de acuerdo al dimetro del tubo.

Cambio de empaquetadura total de la caldera:

Calderas de 4 a 30 C.C. llevan registros de 3 x 4 y por consecuencia, el empaque debe de ser de 3 x 4.Calderas de 40 a 150 C.C. llevan registros de 3 x 4 y uno de 11 x 15 en la parte superior.Calderas de 200 a 800 C.C. llevan de 4 x 5 y uno de 11 x 15 en la parte superior.Especificaciones de los empaques: a).- Para los empaques de seccin plana debe pedirse empaque Garlock 605 (no asbesto) de de espesor por 3 de ancho y 14 m de largo. b).- Para empaques de seccin redonda, debe pedirse empaque Garlock 605 (no asbesto) de de dimetro trenzado y 10 m de longitud. Para ambos casos usar como adhesivo el resistol 5000.

Llenar de agua la caldera hasta su nivel mximo permisible de operacin o sea hasta el punto 2 de nivel en la mirilla de cristal del Mc. Donnell & Millar.

Realizar prueba hidrosttica:

Equipo nuevo = 1.5 de la presin mxima de trabajo.Equipo usado = A la presin de trabajo.

Revisin general del sistema elctrico:

Revisin del refractario:

Tipos de refractarios: Plicast 27, 31 y 40, Haymoll 3000, Superkon, Klimix (Plicast 40 y Haymoll 3000 son los ms usados).Si existen grietas, hacer las reparaciones en V.En la piedra del fogn va un sello, que es una mezcla de 60% cemento monoltico aislante y 40% cemento refractario.Arriba o sobre el empaque de las tapas, lleva cemento monoltico aislante.

Cerrar la caldera:

Se recomienda que se cierre primero por la parte frontal.Antes de cerrarse la tapa posterior, debe meterse una persona a revisar si no hay huecos o partes sin sellar, entre las piedras del fogn y el quemador.

Revisin del quemador:

En la revisin del quemador, es muy importante limpiar el piloto y checar su calibracin 1/8 3/16 Tambin se deber revisar y limpiar la boquilla.

Arranque del quemador:

Si hubo cambios o reaparicin de piedras quemador y fogn, o mampara divisoria, debe arrancarse en fuego bajo y en forma pausada (arrancando 10 min. y parando 15 min.).

Carburacin del quemador con pruebas de CO2 Y O2.

Puesta en funcionamiento normal.

IX.- PRESIONES DE ALIMENTACIN DE COMBUSTIBLE:

Disel o Combustleo: La bomba de alimentacin de combustible (Balkin GG4195) debe mantener una presin de 9 10 Kg./cm (antes del regulador) para que despus del regulador se tenga una presin de 4.5 5.5 Kg./ cm. El aire de atomizacin se debe mantener en una presin de 7 8 Kg./ cm a la salida del compresor (antes del regulador) para poder mantener una presin de 3.5 4.5 Kg./ cm en el soplador.

Se recomienda que el diferencial de presin entre la alimentacin del combustible y el aire de atomizacin sea de 1 Kg./ cm.

En combustleo, se recomienda que la vlvula de la lnea de retorno tenga una apertura de de vuelta (abierta).

El electrodo del piloto debe estar calibrado de 1/8 3/16 para garantizar una buena chispa de ignicin.

Se recomienda que la boquilla deba estar de a 1 atrs del difusor de retencin de flama.

Cada 8 das se debe limpiar con lija las puntas del electrodo del piloto.

La temperatura d alimentacin del combustleo deber ser de 120 C.

La vlvula dosificadora del combustible debe estar en el punto 2 para fuego bajo, y en el punto 12 para fuego alto.

La compuerta del aire en el punto 2.

Gas natural: La presin de alimentacin del gas natural debe estar en 2 Kg./ cm (antes del regulador), 16 onzas/pulg en el tren FIA (despus del regulador) y 8 onzas/pulg a la entrada del quemador (despus del switch de baja presin), para el piloto se requieren de 6 onzas/pulg.

La posicin de la compuerta (galleta del soplador) debe estar en el punto 2.

La vlvula de mariposa para el control de la entrada del gas debe estar en el punto de en medio.

El switch por baja presin debe calibrarse en fuego alto y el de alta presin de gas en fuego bajo.

Las vlvulas (actuadores) motorizadas de diafragma, son Honeywell V 505.

Antes del primer actuador est instalado el switch de alta presin de gas, y despus del segundo actuador, el switch de baja presin de gas.

X.- PRUEBA DE EVAPORACIN Y DE EFICIENCIA DE UNA CALDERA:

La prueba de evaporacin nos arroja prcticamente la capacidad evaporativa de una caldera.

Es un procedimiento para calcular la capacidad de la caldera, en condiciones ideales de carburacin.

Es muy importante mantener la presin constante (7 kg/cm2).

Hay que tomar con exactitud, la temperatura del agua de alimentacin en el tanque de condensados.

Es deseable instalar un medidor de flujo en la descarga de las bombas de condensados.

Asegurarse de que no haya retorno de condensados. Calcular el consumo de combustible en fuego alto.

Se recomienda que la prueba de evaporacin se lleve a cabo con el volumen normal (nivel de agua) de la caldera.

Durante toda la prueba, la caldera debe operarse en fuego alto y forma manual.

Al momento de terminar la prueba hay que tomar lectura de la temperatura de los gases de la chimenea.

2.4.5 Marco legalNormas y reglas que se han de cumplir antes, durante y despus de arrancar una caldera de vapor o un generador de vapor.Norma para calderas o generadores de vapor:NOM-020-STPS-2011

Condiciones de seguridad:NOM-002-STPS-2010

Sistemas para la identificacin de peligros y riesgos de sustancias qumicas peligrosas:NOM-018-STPS-2000

Colores y seales para los fluidos conducidos por tuberas:NOM-026-STPS-2008

Sistema general de unidades de medida:NOM-008-SCFI-2002

Vlvulas de relevo de presin:NOM-093-SCFI-1994

Lineamientos de operacin para el otorgamiento de las autoridades de funcionamiento de los recipientes sujetos a presin:NOM-020-STPS-2012 Proteccin ambiental, generacin de residuos:Nom-098-semarnat-2002Eficiencia trmica de las calderasNOM-002-ENER-1995

Contaminacin atmosfrica:NOM-CCAT-019-ECOL 1993

2.4.6 Marco Ambiental

Las instalaciones de generacin de energa a partir de la combustin, en la medida en que sean sometidas a un correcto esquema de mantenimiento y adecuadamente conducidas y reguladas durante su funcionamiento, no presentan un impacto ambiental negativo en su entorno.

El principal impacto ambiental potencial de estos aprovechamientos se da cuando no existe una correcta planificacin en la provisin del combustible, en lo que hace a su procedencia y cantidad, induciendo de esa manera a la eventual depredacin del recurso. Este factor desaparece en los casos en que se dispone como combustible de los residuos de explotacin y/o industrializacin otros combustibles menos nocivos.

Las restantes fuentes de impacto ambiental estn constituidas por las emisiones y afluentes propios del funcionamiento de la planta y por la posible contaminacin a travs de ruidos vibraciones. En el primer aspecto, los combustibles biomdicos no presentan mayor nivel potencial de contaminacin que otros combustibles, sobre todo si se mantiene un adecuado control de la combustin y se utilizan medios aptos para el control de las emisiones.

En los casos de cogeneracin no existe impacto adicional por la produccin de energa elctrica, ya que el vapor debe ser producido para alimentar el proceso principal. En el segundo aspecto, y en particular para los motores de vapor verticales rpidos, la influencia no es diferente de la de los grupos moto-generadores Disel. Para la instalacin relevada, los hogares y las calderas presentaban un aceptable estado de mantenimiento y una razonable regulacin de marcha.

La combustin terica o perfecta se producira si elcarbonodel combustible se combinara con el oxgeno del aire para producircalor,luz, dixido de carbono y vapor deagua. Sin embargo, la presencia de impurezas en el combustible, la pobre relacin combustible-aire o la existencia de temperaturas de combustin demasiado altas o bajas provocan la formacin de otrosproductos, tales como monxido de carbono, xidos de azufre, xidos de nitrgeno, cenizas volantes e hidrocarburosno quemados.

Los contaminantes principales generados durante la combustin son monxido de carbono, dixido de azufre, xidos de nitrgeno, hidrocarburos y partculas. El monxido de carbono y los hidrocarburos son productos de combustin incompleta. El dixido de carbono, aunque en general no se considera un contaminante por no ser txico, constituye uno de los principalesgasesdeefecto invernaderoy como tal es objeto de atencin con vistas a minimizar sus emisiones. El dixido de azufre se emite debido a los compuestos de azufre contenidos en los combustibles.

El holln se forma especialmente en las combustiones incompletas y con combustibles Disel; est formado por partculas de carbn y sobre ellas se adsorben compuestos potencialmentecancergenos, como el benzopireno. Este se observa en los escapes de vehculos que contaminan el aire con nubes negras.

Emisiones:Monxido de carbonoGas incoloro e inodoro producido por combustin incompleta de combustibles con carbono en su composicinSOx, SO2 Gas incoloro de olor irritante. Producido por combustin del azufre, en presencia deO2 o Vanadio forma SO3.Causante de la lluvia cidaPartculas totales en suspensin (TSP) El ms complejo de los contaminantes. Composicin variada.NOxGas de color marrn rojizo. Cuando el nivel en los gases de chimenea supera los 20 ppm deNO2, adquiere un color anaranjado.

NOx es una mezcla de NO (97%), NO2 (2%) y N2O (1%).Contribuyen a la lluvia cida, Contribuyen a la formacin de Ozono (NO2).Contribuyen a la destruccin de la capa de Ozono (N2O, 100 a 200 aos de vida).Produccin de NOx en procesos de combustin. Durante la combustin se produce NO y NO2, el NO prevalece a alta temperatura (dentro del horno).NO2 + O2 => NO + O2. A la salida al exterior se oxida aNO2.