INSTALACIONES DE VAPORDISEÑO Y CÁLCULO DE REDES DE VAPOR

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN REDES DE VAPOR

PROYECTO INSTALACIÓN VAPOR LAVANDERIA

INSTALACIONES DE VAPOR

Las calderas de vapor son maquinas que generan vapor de agua, el cual tiene gran cantidad de aplicaciones en la industria sobre todo como generador de energía mecánica y transmisor de energía calórica.

IV. CALDEROS DE VAPOR4.1 ¿QUE ES UN CALDERO DE VAPOR?

En términos muy simples y genéricos podemos decir que un caldero o caldera,como también se le denomina, es básicamente un recipiente a presión,cerrado, en el que se calienta agua para uso externo del mismo por aplicacióndirecta de calor resultante de la combustión de un combustible (sólido, líquido ogaseoso). Este fluido puede ser calentado hasta su evaporación en el caso deque el requerimiento sea de vapor de agua.El diseño y construcción de un caldero de vapor implica la aplicación detecnologías como la de los recipientes de paredes delgadas sometidas apresión.

Fig. 1 Caldero de vapor.

NORMAS DE DISEÑO:Antiguamente, no existía ningún criterio a la hora de diseñar calderas yrecipientes a presión. Ocurrían explosiones por causas desconocidas. Fueentonces que la American Society of Mechanical Engineers (ASME) comenzóa crear códigos para utilizar en el diseño y control de los recipientes quefuesen a trabajar a presión.La ASME VIII Div. 1, Es la parte encargada de diseño, tiene distintaspartes que comprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas,conexiones, etc.Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivelmundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter),Diseño de calderas según normativa española UNE 9-300.Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equiposeste certificada en cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante usaalguna de estas normas para la fabricación y montaje.Un caldero es una máquina o instalación, diseñada y construida paraproducir vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desdepequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción dealimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos deinstrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura ypresión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la

alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesosindustriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimastemperaturas y presiones.En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de

agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como uncombustible, rayos solares concentrados, electricidad etc. para hacerla herviry producir vapores. Como estos vapores están confinados a un espaciocerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura deebullición del agua según muestra el diagrama de fases, pudiéndose alcanzarfinalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Estos vapores seconcentran en la parte superior del recipiente inicialmente vacío, conocidocomo domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en elproceso en cuestión.Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades delproceso son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera,especialmente en las grandes instalaciones industriales.Hay muchos tipos de calderas de acuerdo a las temperaturas ypresiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen deproducción de vapor.Cabe destacar además, que incluso, para las mismas condicionesgenerales, existen un gran número de diseños constructivos en cuanto almodo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible, forma

de alimentación del agua y otros muchos factores, lo que hace el tema de lascalderas, objeto de grandes tomos técnicos así como de constante desarrollo.La función principal de la caldera propiamente dicha, es proporcionarun medio por el cual el calor procedente de la combustión se transmita alagua o al vapor que debe ser calentado. El objetivo que persigue el diseñadores lograr la mejor disposición de la superficie de calefacción, de acuerdo conlas limitaciones en cuanto al espacio disponible y los arreglos necesarios en elfogón y en los demás componentes. La superficie de calefacción requeridadepende de su clase, si es primaria, secundaria, de supere calentamiento,recalentamiento, economizador o de calentador de aire.El tipo de caldera así como la presión y la temperatura de trabajo,tienen gran influencia sobre el diseño. Una caldera de tubos de humoremachada, de baja presión, tiene bien poco de común con una planta paraservicio termoeléctrico de 351.5 kg/cm2 (5000 lb/plg2) de presión. El diseñadortiene como meta de trabajo la obtención de una eficiencia máxima al costo deoperación más bajo; o bien se propone conseguir un costo inicial mínimo.Los requisitos de la calidad del vapor, afectan una parte del diseño de la caldera.Si se requiere una calidad de 99.5%, se necesita vapor seco y tienen queagregarse separadores de vapor. La necesidad de supercalentamiento o derecalentamiento afecta igualmente el diseño. Si no existe objeción contra elvapor saturado o húmedo (como por ejemplo en una planta de calefacción), eldiseñador omitirá el equipo de separación y supercalentamiento.

La circulación del vapor y del agua dentro de la caldera, es decisivapara la efectividad de la superficie transmisora de calor. Los precipitados osedimentos tienen que depositarse en donde no afecten a la superficieprincipal de transmisión de calor y de donde puedan ser evacuados por purgao por limpieza periódicas. Deben tomarse previsiones para una pugna

continua, ya desde el diseño. Algunas calderas necesitarán equiparse concirculación forzada.La cantidad de agua contenida en la caldera determina la rapidez conla que puede calentarse para alcanzar las condiciones de evaporación (oproducción de vapor). Algunos sistemas de calefacción requieren un volumengrande de almacenamiento, ya sea en la caldera misma, o en tanques dealmacenamiento de agua de alimentación. En las unidades de grancapacidad, los diseñadores encuentran un incentivo para dar a las superficiesde calefacción las proporciones debidas para el uso óptimo de los niveles detemperatura que pueden lograrse. En los tamaños chicos, las consideracionesde carácter económico generalmente imponen la necesidad de buscar lasencillez de la construcción.Los materiales y los métodos de construcción están controlados por los requisitospara el trabajo a presión y por el código ASME para calderas y tanques depresión.

4.2 RESEÑA HISTORICAJames Watt, ingeniero escocés del siglo XVIII, fue el primero enobservar que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica queremplazaría la fuerza animal y manual, empezando entonces a desarrollar lafabricación de calderas de vapor. Actualmente, tenemos los calderos debiomasa, que se utilizan tanto en ámbitos industriales como en domésticos.Con el pasar de los años, fueron transformándose en un equipoindispensable para cada proceso productivo haciéndose cada vez máspequeñas, eficientes y seguras.Las primeras calderas tenían el inconvenienteque se aprovechaba mal el vapor, así que el primer cambio que hicieron fueintroducir tubos, para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior delos tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares , ysi lo que circula es agua se llaman calderas acuotubulares.Luego en 1844 fueron desarrollados los calderos tipo Lancashire,compuestas por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 m. de largo,a través del cual pasaban 2 tubos de gran diámetro llamados fogones y seinstalaba una cámara de combustión a la entrada de cada uno de ellos.Esta cámara podía ser diseñada para quemar gas, petróleo o carbón.Los fogones se encontraban rodeados por agua en su exterior y el calor que segeneraba en la cámara de combustión era transferido al agua. Una de lasdesventajas era que después de repetidos calentamientos y enfriamientos, sedeterioraban generando infiltraciones de aire que desequilibraban el tiro de la

caldera, y a la vez disminuía su eficiencia. Sobre el año 1878 se diseñó lacaldera Tipo Cochran cuya principal novedad fue la introducción de tuboshorizontales en un manto cilíndrico vertical por medio de placas tubularesbridadas. Esta caldera fue vertical y la caja de humo formaba parte de ellaapernada a un lado.En 1934 las calderas Cochran alcanzaron un acuerdo con Kirke,inventor de los famosos tubos Sinuflo, y lanzaron una línea de calderashorizontales recuperadoras de calor. Fueron muy exitosas, ideales para

generar vapor a partir de gases calientes residuales provenientes de losprocesos de las industrias del gas y del acero.En 1959 se lanzaron al mercado las calderas verticales Cochran SerieII con eficiencias térmicas y una gran producción de vapor para su tamaño. Suoperación podía ser completamente automática, operando tanto concombustibles líquidos como sólidos. La mejora en los materiales y en losprocesos de fabricación se tradujo en que se podían instalar más tubos encada unidad, surgiendo así la caldera paquete multitubular.Estas calderas se clasifican de acuerdo al número de pasos; es decir,de acuerdo al número de veces que los productos de combustión calientespasan a través de la caldera. El diseño más común corresponde a las calderasde tres pasos, siendo el primero de ellos la cámara de combustión y los dossiguientes los pasos a través de los tubos.

Años más tarde surgen las calderas de llama reversa donde la cámarade combustión tiene la forma de un dedal; el quemador está instalado en suextremo abierto normalmente por debajo del centro. La llama retorna sobre símisma dentro de la cámara de combustión para volver hacia el frente de lacaldera. Los tubos de humo rodean el dedal y permiten el paso de losproductos de combustión calientes a la parte trasera de la caldera y a lachimenea.Para finales del Siglo XX diferentes ingenieros comienzan a desarrollarlas calderas de biomasa que cumplen con un número de principios técnicosque conducen a una combustión completa, con bajas emisiones, alta eficacia yque utilizan como combustible la biomasa, o sea, residuos de materia orgánicaque son combustibles renovables, como son: bagazo de caña, huesos deaceitunas, cáscaras de almendras y nueces, restos de podas, leña de árbolessecos, etc.En estos tiempos las calderas de biomasa son ampliamente utilizadasen todos los ámbitos industriales y domésticos porque tienen las ventajas deutilizar combustibles más económicos y menos contaminantes con el medioambiente.

a. Usob. Presión de trabajoc. Material del que están construidasd. Tamañoe. Contenido de los tubosf. Forma y posición de los tubosg. Fuente del calorh. Clase de combustiblei. Fluido generadoj. Posición del fogón4.3.1 Según el usoPartiendo de la simple caldera de casco cilíndrico, se han desarrolladomuchos y variados tipos de unidades generadoras de vapor. Algunos se handiseñado para proporcionar fuerza en general o calefacción, otros en cambio

se destinan para funciones más especializadas. Sus características varían deacuerdo con la naturaleza del servicio que prestan.Las calderas estacionarias se utilizan para calefacción de edificios,para plantas de calefacción central de servicio público, como plantas de vaporpara procesos industriales, plantas de vapor para centrales termoeléctricaslocales, centrales de fuerza para servicio público (plantas termoeléctricas) ounidas generadoras para servicios especiales.