avance del proyecto de calderas
TRANSCRIPT
INTRODUCCIÓN
En este proyecto se describirán conceptos sobre la clasificación de las calderas, el
mantenimiento, objetivos, importancia del tratamiento del agua y se dará la información
necesaria para una buena operación y mantenimiento del equipo. Sobre el tratamiento del
agua todos sabemos que es muy importante para que el equipo funcione adecuadamente, ya
que pueden surgir problemas a futuro en el sistema. Los pasos de operación del equipo son
básicos para el buen funcionamiento, porque, el equipo fue diseñado para operar bajo
ciertas condiciones y con los pasos de operación podemos hacer que el equipo opere
adecuadamente. El mantenimiento es muy importante para tener un buen funcionamiento
del equipo, ya que sin este se pueden provocar problemas muy graves en el sistema.
Una caldera es un recipiente sujeto a presión que sirve para calentar agua, con la finalidad
de producir una cantidad de vapor necesario para alimentar a una maquina térmica, los
radiadores de calefacción central, las estufas para esterilizar y otras instalaciones.
Las calderas más simples consisten en un recipiente cilíndrico dispuesto sobre un hogar;
para aumentar la superficie de contactó, se han agregado al cuerpo principal unos tubos que
comunican con el mismo. La caldera es el equipo básico de una instalación para producir
vapor, y ciertamente el componente más costoso del conjunto, consta de la simple cámara
para generar vapor, 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, los hogares enfriados por medio de agua, los
supercalentadores, economizadores, calentadores de aire, y otros accesorios relacionados
con las calderas, tales como de areadores de agua de alimentación, ventiladores de tiro
forzado o tiro inducido, bombas y aparatos similares, para la formación de unidades
generadoras de mayor capacidad y más completas.
El vapor es ampliamente utilizado para calefacción para secar pastas, para evaporar
disoluciones químicas, para procesos de calentamiento, para mover turbinas, máquinas y
bombas; para realizar los miles y miles de procesos en todas las ramas de la industria. El
vapor es utilizado en estos casos, simplemente porque existe una necesidad de calor y de
energía al mismo tiempo, y el vapor es la manera más adecuada y económica de transportar
grandes cantidades de calor y de energía. El vapor es fácil de producir, ya que se obtiene
del agua y generalmente se requiere de un recipiente adecuado para producirlo
industrialmente, este recipiente es una caldera o un generador de vapor.
Las calderas modernas se construyen según normas de fabricación de prestigio
internacional, y están provistas de equipos automáticos de operación y seguridad, haciendo
pensar a algunos usuarios que no requieren la atención de expertos. Por esta razón ponen
sus unidades en manos de gente con poca experiencia que no siguen las buenas reglas de
operación en la forma debida, y muchos de ellos se figuran que su caldera al ser
completamente automática, está completamente protegida de accidentes, sin considerar que
todo recipiente sujeto a presión y que se encuentre bajo fuego, es potencialmente peligroso,
y sus controles automáticos no sustituyen a las reglas de seguridad.
Se puede aceptar tranquilamente las responsabilidades de una caldera con operación digna
de confianza, pero la seguridad, confiabilidad, y eficacia en la operación solamente pueden
conservarse con la aplicación de un programa básico de mantenimiento.
Es indiscutible que las calderas y recipientes sujetos a presión representan riesgos tanto en
vidas como en fincas. Tan es así, que existen normas para su construcción y reglamentos
para su instalación, operación, y mantenimiento; todas ellas con la intervención de
autoridades, agrupaciones de ingenieros, y compañías de seguros.
La confiabilidad de una caldera no depende exclusivamente de su fabricante, ya que este al
cumplir con las normas de construcción universalmente reconocidas, salva totalmente su
responsabilidad. El montador que observa los reglamentos y normas de instalación también
puede olvidarse de los riesgos que representa una caldera, pero la persona que la opera tiene
una alta responsabilidad permanente, y nunca puede dejar de pensar en los cuidados a
seguir para mantener condiciones óptimas de seguridad.
El mantenimiento en calderas debe ser una actividad rutinaria, muy bien controlada en el
tiempo, y por lo tanto; el desarrollar un programa de mantenimiento permite que la caldera
funcione con un mínimo de paradas en producción, minimiza costos de operación y permite
un funcionamiento seguro. El mantenimiento en calderas pude ser de seis tipos, Rutinario,
Programado, Correctivo, Reparación, Circunstancial, y Preventivo.
MARCO TEORICO
La historia de la caldera ha sido larga y de constantes avances tecnológicos; y no pudo ser
sino Inglaterra, corazón industrial del mundo, a finales del siglo XVIII y comienzos del
XIX, la cuna de uno de los inventos más portentosos del hombre en cuanto a la obtención
de energía: la caldera a vapor, cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor
como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a
desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso
en las distintas industrias. Con el paso de los años se han mejorado y optimizado los
diseños, disminuyendo así su tamaño y aumentando considerablemente la eficiencia de la
caldera. Las primeras calderas tenían el inconveniente de que los gases calientes estaban en
contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del
combustible; debido a esto las instalaciones industriales fueron perfeccionándose,
colocando el hogar en el interior y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la
superficie de calefacción. Así, pus, mientras el mundo, más allá de la pujanza
industrializadora de los ingleses, demandaba recursos energéticos para su desarrollo, la
caldera fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para los
procesos productivos. El invento fue tal vez rudimentario al comienzo, pero fue logrando
avances en la media que diferentes hombres de gran ingenio incorporaron nuevas ideas para
ir haciéndolas cada vez más eficientes y seguras.
La caldera de vapor más elemental fue diseñada por Dionisio Papín en 1979, una caldera de
pequeñas dimensiones llamada “marmita” con ella se trató de remplazar a los modelos
anteriores pero el intento fracaso; sin embargo, quien la desarrollo completamente fue
James Watt en 1776. Estas calderas eran utilizadas para accionar bombas de agua, tenían
forma cilíndrica vertical y eran de larga vida útil; además, fueron estas las responsables de
la revolución industrial que comenzó en ese siglo.
Las calderas tipo Lancashire fueron desarrolladas en 1884 por William Fairbairn, a partir de
lo que se conocía como caldera “Cornich” de un fogón o caldera “Trevithck’s”, su
estructura estaba compuesta por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 de largo,
a través del cual pasaban 2 tubos de gran diámetro llamados fogones; cada fogón era
corrugado de manera que absorbiera la expansión de la caldera cuando se calentaba y para
prevenir su colapso debido a la presión externa de la caldera se instalaban una cámara de
combustión a la entrada, en lo que corresponde al frente de la caldera. La cámara de
combustión de la caldera estaba diseñada para quemar gas, petróleo o carbón, y los
combustibles calientes pasaban de la cámara de combustión a los fogones de la caldera, los
cuales se encontraban rodeados por agua en su exterior y el calor que se generaba en la
cámara de combustión era transferido al agua de la caldera. La caldera era instalada en una
fundición de ladrillo llamada “setting” o montura, con el propósito de mejorar la eficiencia
térmica del equipo de la caldera. En el frente de la caldera el flujo de gases calientes era
dividido en dos corrientes que pasaban hacia el fondo del equipo por los costados. Esto se
conseguía mediante 2 ductos en los lados de la caldera, que formaban parte del Setting y
que se encontraban al fondo de la caldera para dar paso a la chimenea. Por mucho tiempo se
fabricaron calderas de distintos tamaños, la más pequeña media 5.5 m de largo por 2 m de
diámetro y la más grande era de 10 m de largo por 3 m de diámetro, su producción de vapor
variaba entre 1500 kg/h y hasta 6500 kg/h aproximadamente, operando a presiones de hasta
17 Bar. Contenían un gran volumen de agua, que se traducía en una gran capacidad de
almacenamiento de energía, con lo que podían responder fácilmente a demandas repentinas
de vapor. El volumen de agua contenida significaba también que el control el nivel y de la
calidad del agua no era tan crítico como en las calderas modernas, su principal desventaja
era que después de calentamientos y enfriamientos repetidos, las expansiones y
contracciones se traducían en deterioró de la mampostería, lo que provocaba
infiltraciones de aire parásito, que desequilibraba el tiro de la caldera a la vez que disminuía
su eficiencia.
JUSTIFICACIÓN
Desde el invento de la máquina hasta nuestros días, se ha desarrollado una gran variedad de
calderas. Entre la primitiva caldera cilíndrica sencilla a carbón y la más moderna caldera
atómica, existe una amplia gama de calderas, adecuadas para cubrir las diferentes
necesidades humanas. Es por ello que las calderas forman una parte esencial de cualquier
planta de potencia y de cogeneración.
En este proyecto veremos los diferentes tipos de calderas más comunes, las características
de la caldera del laboratorio de química pesada, también conoceros las partes principales
que el alumno debe de conocer, su funcionamiento, mantenimiento integral, el cual
permitirán un mejor manejo del equipo. El vapor generado se utiliza para el funcionamiento
de los equipos de laboratorio de Química pesada.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL.
Conocer los cuidados básicos que debe de tener la caldera, con la finalidad de
prevenir reparaciones mayores y realizar el mantenimiento integral para alargar la
vida de la caldera.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
1. Efectuar las tareas básicas de operación y mantenimiento preventivo con
procedimientos adecuados
2. Saber detectar condiciones anormales de operación en la caldera antes de
que se ocasionen daños irreversibles.
3. Determinación y análisis de la dureza del agua en los tanques de arena,
zeolita y almacenamiento de agua.
ALCANCES Y LIMITACIONES
ALCANCES.
Este proyecto se elaboró con la finalidad de generalizar lo más ampliamente posible su
utilidad para calderas de alta presión. La investigación será de tipo descriptivo ya que
tiene como propósito identificar las principales fallas que existen en el funcionamiento de
un generador de vapor, con la finalidad de darle un correcto mantenimiento preventivo a
dicho equipo.
LIMITACIONES.
La caldera en la que se va a trabajar no se encuentra encendida las 24 hrs del día,
únicamente se arranca cuando hay prácticas en el Laboratorio de Química Pesada en el
Instituto Tecnológico de Oaxaca.
CAPÍTULO I. FUNDAMENTO TEÓRICO.
1.1. DEFINICIONES DE CALDERA.
Las siguientes definiciones de caldera generalmente se encuentran en forma de
leyes estatales y códigos de la caldera referentes a requisitos de instalación o
inspección, así como leyes de ingeniería para operar este tipo de equipos.
Una caldera es un recipiente a presión cerrada en el que se calienta un fluido para
uso externo del mismo por aplicación directa del calor resultante de la combustión
de un combustible (sólido, líquido o gaseoso) o por utilización de la energía
nuclear o eléctrica.
Una caldera de alta presión es aquella que genera vapor a una presión mayor de
15 psig (1.05 kg/cm2) manométrica (1.05 atmosferas efectivas o manométricas).
Por debajo de esta presión se clasifican como calderas de vapor de baja presión.
Las pequeñas calderas de alta presión se denominan calderas miniatura según la
normativa de Estados Unidos.
De acuerdo a la sección I del código de calderas y recipientes a presión de la
ASME (American Society of Mechanical Engineering) una caldera miniatura de
alta presión es una caldera de alta presión que no excede de los limites
siguientes: 16´´ (406.4 mm) de diámetro interior de virola (o chapa envolvente
cilíndrica); cinco pies cúbicos de volumen bruto de virola y asilamiento; y 100 psig
(7 kg/cm2 efectivos o manométricos) de presión. Si se excede estos límites, se
trata de una caldera de potencia.
Una caldera de potencia es una caldera de vapor de agua o de fluido que trabaja
por encima de 15 psig (1.05 kg/cm2) y excede el tamaño de una caldera miniatura.
Esto también incluye el calentamiento de agua caliente o calderas de agua
caliente que funcionan por encima de 160 psi (11.2 kg/cm2) o 250 °F (121.1 °C).
Las calderas de potencia también se llaman calderas de alta presión.
Una caldera de baja presión se define como una caldera de vapor que trabaja
por debajo de 15 psig (1.05 kg/cm2) de presión o una de agua caliente que
funciona por debajo de 160 psig (11 kg/cm2) o 250 °F (121 °C).
Una caldera de calefacción por agua caliente es una caldera que no genera
vapor, pero en la cual el agua caliente circula con propósitos de calefacción y
después retorna a la caldera y que trabaja a presiones que no exceden de 160
psig (11.2 kg/cm2) o de una temperatura de agua no mayor de 250 °F (121 °C) en
o cerca de la salida de la caldera. Estos tipos de calderas se consideran calderas
de calefacción de baja presión, construidas bajo las especificaciones de la sección
IV del código ASME de calderas. Si se exceden las condiciones de presión o
temperatura, las calderas deben diseñarse como de alta presión común bajo las
especificaciones de la sección I del código.
Una caldera de suministro de agua caliente o, más brevemente dicho, una
caldera de agua caliente, está completamente llena de agua y suministra agua
caliente para usarse en el exterior de ella (sin retorno) a una presión que no
exceda de 160 psig (11.2 kg/cm2) efectivos o a una temperatura de agua que no
pase de 250 °F (121 °C). Estos tipos de calderas se consideran también calderas
de baja presión, construidas según los requisitos de la sección IV (calderas de
calefacción) del código ASME. Si se sobrepasan la presión o temperatura, estas
calderas deben diseñarse como calderas de alta presión.
Una caldera de calor perdido utiliza subproductos térmicos como gases de
hornos de laminación o siderurgia, gases de escape de una turbina de gas o
subproductos de un proceso de fabricación. El calor residual se pasa por unas
superficies de intercambio térmico para producir vapor o agua caliente para uso
convencional. Las mismas normas básicas del código ASME de construcción se
aplican a todas calderas de recuperación de calores perdidos al igual que se
aplican a las calderas calentadas por combustibles convencionales, y los equipos
auxiliares y de seguridad normalmente requeridos en una caldera se precisan
también para una unidad de calores perdidos.
Los ingenieros prefieren utilizar el término generador de vapor en vez de caldera
de vapor, porque el termino caldera se refiere al cambio físico del fluido contenido,
mientras que generador de vapor cubre la totalidad del aparato en el que el
cambio físico está teniendo lugar. Pero en su utilización normal, ambos términos
son básicamente lo mismo.
Una caldera compacta es una caldera completamente montada en fábrica, de
tubos de agua, de tubos de humos o de fundición, e incluye quemador, controles y
elementos de seguridad. Una caldera montada en fábrica es más barata que una
unidad montada en campo, de la misma capacidad de producción de vapor.
Mientras que una caldera montada en fábrica no es una caldera fuera de serie,
generalmente puede montarse y entregarse mucho más rápidamente que una
caldera montada en capo, los tiempos de instalación y puesta en marcha son
sustancialmente más cortos. Los trabajos realizado en fabrica normalmente
pueden ser mejor supervisados y realizados a costo más bajo.
Una caldera supercrítica funciona por encima de la presión crítica absoluta de
3206.2 psig y 705.4 °F de temperatura de saturación. El vapor y el agua tienen
una presión crítica de 224.43 kg/cm2. A esta presión el vapor y el agua tienen la
misa densidad, lo que significa que el vapor esta comprimido tan intensamente
como el agua. Cuando esta mezcla se calienta por encima de la temperatura de
saturación correspondiente (de 705.4 °F) para esta presión, se produce vapor
seco sobrecalentado capaz de realizar trabajo útil por su presión elevada. Este
vapor seco está especialmente indicado para mover turbogeneradores. Las
calderas se clasifican también por la naturaleza de los servicios prestados. Las
clasificaciones tradicionales son: estacionaria, portátiles, de locomotora y marina,
definidas como sigue.
Una caldera estacionaria es la instalada permanentemente en una posición fijada
en lugar. Una caldera portátil está montada sobre un camión, barco, pequeño
bote de rio u otro aparato móvil. Una caldera de locomotora es una caldera
diseñada especialmente para vehículos de tracción autopropulsados sobre raíles
(también se usa para servicio estacionario). Una caldera marina es normalmente
una caldera de tipo especial de cabezal bajo destinada para barcos de carga y
pasajeros con una capacidad de vaporización inherente rápida.
El tipo de construcción también diferencia las calderas como sigue: las calderas de
fundición son unidades de calefacción de baja presión construidas por secciones
de fundición a presión de hacer, bronce o latón. Los tipos normales fabricados son
clasificados por el modo en que se disponen o ensamblan las secciones de
fundición por medio de conectores, colectores exteriores y manguitos roscados.
Hay tres tipos de calderas de fundición:
1. Calderas verticales de fundición de secciones colocadas o montadas
verticalmente una encima de otra.
2. Caldera horizontal de fundición por secciones conectadas o
ensambladas horizontalmente de modo que las secciones se mantienen
juntas como rebanadas en una hogaza de pan.
3. Pequeñas calderas de fundición también construidas en una pieza o
molde simple de pieza única. Estas son generalmente pequeñas calderas
usadas principalmente en el pasado para servicios de agua caliente.