calderas control de

Grupo 06 Verano 2006

Universidad de Costa Rica

Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Automática

IE – 431 Sistemas de Control

MONOGRAFIA

Sistemas de control en calderas de vapor

GRUPO: 04

INTEGRANTES: Jose Fco. Barrantes Dall’Anese A10455

Alberto Campos Lobo

A21081

Eider Gutiérrez Vargas

A22370

PERIODO: Verano 2006

IE-431 Sistemas de Control en Calderas de Vapor


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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ........................................................................................................... 2

1.0 Introducción .................................................................................................. 3

2.0 Teoría de maquinas de vapor ........................................................................ 4

2.1 Historia de las maquinas de vapor ....................................................................................... 4 2.2 Calderas................................................................................................................................. 5 2.2.1 Clasificación legal .................................................................................................. 5 2.2.2 Partes del Sistema de Generación de Vapor ........................................................... 6 2.2.3 Proceso de Generación de Vapor............................................................................ 6 2.2.4 Tipos de calderas..................................................................................................... 8 2.2.5 Eficiencia ................................................................................................................ 8

2.3 Problemas en los sistemas de producción de vapor ............................................................. 9 2.3.1 Temperatura de operación.............................................................................................. 9 2.3.2 Presión en el tanque y tuberías..................................................................................... 10 2.3.3 El pH del agua.............................................................................................................. 11 2.3.4 Dureza del Agua .......................................................................................................... 13 2.3.5 Nivel de Agua .............................................................................................................. 14

3.0 Control automático en una caldera ............................................................ 16

3.1 Sistemas de Control en Calderas........................................................................................ 16 3.2 Sistema de control de presión ............................................................................................ 17 3.3 Control del nivel de agua ................................................................................................... 18 3.4 Control del pH del agua ..................................................................................................... 24 3.5 Controlador de la dureza del agua ..................................................................................... 25 3.5.1 Controlador de purgas.................................................................................................. 26

3.6 Control de temperatura ...................................................................................................... 28 4.0 Conclusiones ................................................................................................ 31

5.0 Bibliografía .................................................................................................. 32



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RESUMEN

El control automático es de suma importancia para la industria, pues la vuelve más eficiente y segura para los operarios. Las calderas de vapor, a su vez son maquinas muy peligrosas cuando no son supervisadas cercanamente. Es por eso que el control automático debe ser muy confiable en este tipo de maquinas y un conocimiento real del equipo es muy importante a la hora de diseñar el control.

La presente es una recopilación de los detalles más importantes a ser tomados en cuenta al analizar el control automático en calderas de vapor. La descripción de las calderas de vapor y los cuidados en su uso son tomados en cuenta para el análisis posterior de los sistemas de control que se utilizan en el campo.



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1.0 Introducción

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.

Los usos que se le dan hoy en día al vapor no se comparan con los usos que tenía durante el siglo XIX, cuando el carbón era el motor del desarrollo industrial. El carbón se utilizaba como combustible en las calderas de vapor, mientras que el vapor movió los ferrocarriles, los barcos, los primeros automóviles y la industria en general. No fue hasta el desarrollo del motor de combustión interna y el refinado de los gases naturales y el petróleo que el carbón y el vapor dejaron de ser usados como generadores de movimiento en el transporte, y aún cuando el carbón fue totalmente reemplazado en la industria, el vapor siguió siendo un transmisor de energía excelente para tales efectos.

En Costa Rica el uso efectivo del vapor inició con la primera locomotora de vapor que circuló en el país en 1872. Sin embargo, sería hasta el 21 de agosto de 1969 que se aplicaría control legal al campo cuando se emitió el primer Reglamento de Calderas. Actualmente rige un nuevo reglamento emitido en el Decreto 26789 de julio del 2001, impulsado por el gran incremento en la instalación de calderas que se había dado hasta el momento así como por la diferencia tecnológica entre las calderas previstas por el reglamento anterior y las calderas que se instalaban entonces.

Las calderas de vapor, como cualquier otro elemento de la industria moderna, se ven beneficiadas ampliamente en su eficiencia y seguridad al ser controladas automáticamente en vez de depender del control manual para su funcionamiento. Sobre todo porque al ser un proceso termodinámico es inherentemente lento y el controlador automático tiende a reaccionar con mayor velocidad y precisión que el controlador humano. Se reconoce entonces la necesidad del estudio particular de los métodos de control automático en las calderas de vapor dado su alto uso en la industria y los grandes beneficios que le da el control automático estas máquinas.



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2.0 Teoría de maquinas de vapor

2.1 Historia de las maquinas de vapor La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía del vapor de agua en energía mecánica. En esencia esta operación se genera en dos etapas: Primero es generado previamente el vapor de agua en una caldera cerrada, luego el vapor a presión se introduce en un cilindro equipado con un pistón móvil, el cual es arrastrado debido a la expansión del vapor; luego empleando un mecanismo de biela-manivela este es transformado en un movimiento de rotación. Una vez alcanzado el final de carrera del pistón, este retorna a su posición inicial expulsando el vapor de agua. Este ciclo es controlado mediante una serie de válvulas que regulan el flujo de vapor hacia y desde el cilindro. El primer registro de una máquina de vapor puede encontrarse en el manuscrito de Herón de Alejandría titulado Spiritalia seu Pneumatica, la invención de los dispositivos descrito en dicho documento es desconocida, en cuanto pudieron haber sido creados por el autor o por el maestro de mismo llamado Ctesibio. Tampoco se conoce si esas invenciones tuvieron alguna aplicación real o si solo fueron simples juguetes. Esta primera tentativa de realizar una máquina de vapor realizada por Herón unida al esfuerzo de otros personalidades a través del tiempo genero que Eduard Somerset, segundo marqués de Worcester inventara la primera máquina de vapor, de la cual se construyo un modelo en Vauxhall en el año de 1663, sin embardo no sería hasta el año de 1665 que Dircks quien era el biografo de Somerset la reconstruyera en el castillo de Rawlan. Sin embargo, dicha máquina no logró atraer los capitales necesarios como para ser producida y vendida. Es por esta causa que la invención de la máquina de Somerset ha sido atribuida a Thomas Savery, la cual patento en 1698, dicha máquina utilizaba dos cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en una caldera. Esta máquina no obtuvo una gran aceptación en el mercado inglés, debido al alto riesgo de explosión provocado por un incremento incontrolado de la presión. A diferencia de los dispositivos anteriores en los que el vapor actúa sobre la propia superficie libre del agua para impulsarla Huygens diseña en 1680 un aparato de pistón en el que el fluido es el aire caliente producido en una explosión que al enfriarse y contraerse arrastra el émbolo elevando un peso. Luego en el año de 1690 Denis Papin sustituyo el aire por vapor de agua, a la cual le realizo una modificación en 1695, para la cual diseña un horno y generador de vapor de gran eficiencia con el que logra importantes ahorros de combustible y hasta cuatro golpes de pistón por minuto. La primera máquina de vapor concebida como una fuente universal de fuerza motriz fue construida en 1705 por Thomas Newcomen y su ayudante John Calley. Estos inventores aplicaron el principio de Savery de condensar el vapor en el cilindro para el golpe descendente del pistón. Esta máquina vino a aportar importantes innovaciones las cuales



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eran un ingenioso sistema de válvulas para regular la introducción del vapor en el cilindro y la inyección de agua fría para condensarlo. En 1769, James Watt patenta su primera máquina de vapor de uso universal, la cual podía ser utilizada como aserradora, laminadora, tejedora y otras aplicaciones similares, esta máquina presentaba la novedosa característica de condensar el vapor fuera del cilindro, además de que demostró tener una eficiencia considerablemente mayor que la de Newcomen. No contento con lo logrado con esta máquina Watt realizo mejoras sucesivas de la misma hasta hacer de ella el eficaz instrumento que la convertiría en el verdadero motor de la revolución industrial. Sin embargo hay en día el uso de las maquinas de vapor ha ido disminuyendo dándole paso a turbinas de vapor motores eléctricos, los cuales realizan las mismas funciones con una eficiencia mayor.

2.2 Calderas “Todo recipiente cerrado en el cual se calienta agua o genera vapor para ser usado fuera de él, a una presión mayor a la presión atmosférica. Los supercalentadores, recalentadores, economizadores, u otras partes a presión, conectadas directamente a la caldera, sin la intervención de válvulas, serán consideradas como parte de la caldera.” [22]

2.2.1 Clasificación legal [22]

Se califican según las siguientes categorías:

1. Según su capacidad:

a) Categoría A: Aquellas que generan más de 7500 kg/h de vapor o que tengan una superficie de calefacción mayor a los 200 m2.

b) Categoría B: Las que generen más de 2000 kg/h de vapor o tengan más que 60 m2 de superficie de calefacción.

c) Categoría C: Cuando una caldera genere más de 70 kg/h o presenten una superficie de calefacción superior a los 2 m2.

d) Categoría D: Las calderas que generen menos de 70 kg/h y tengan menos de 2 m2 de superficie de calefacción.

2. Con relación a su uso en “nuevas” y “usadas”.

3. Según su instalación en “permanentes”, “temporales” y “portátiles”.

4. Según su ubicación en zona rural, zona urbana, zona industrial o parque industrial.

5. Con relación al combustible usado en: de combustible líquido, búnker, diesel, u otro; de energía eléctrica; de combustible gaseoso, u otro.

6. Con relación al fluido calentado: de agua, de fluido térmico, u otro.

7. Con relación a la forma de calentar el fluido de trabajo: en igneotubulares, acotubulares, eléctricas u otras.



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8. Con relación a su montaje: verticales, horizontales, de tubos curvos, de tubos rectos, de domos longitudinales, de domos transversales, de uno o de varios domos, etc.

2.2.2 Partes del Sistema de Generación de Vapor

Las partes principales del sistema son:

1. Sistema de alimentación de agua. El cual está compuesto por el sistema de suministro de agua y el tratamiento necesario para el adecuado funcionamiento de la caldera.

2. Quemadores. Dispositivos donde se lleva a cabo la quema del combustible y se genera el calor necesario para transformar el agua en vapor.

3. Hogar de la caldera. Es la sección de la caldera en donde se da la superficie de calefacción y se lleva a cabo el cambio de estado en el agua.

4. Sistema de distribución de calor. Sistema de tubos que llevan el vapor hasta donde el proceso lo requiera. Éstos tubos son llamados “cabezales”.

5. Sistema de retorno de condensados. Sistema de tubos que hacen retornar parte del agua condensada durante el proceso. Estos tubos se llaman “cabezales y ramales de condensado” y el agua que transportan está caracterizada por su alta pureza. Éste sistema es muy recomendado pues reduce la cantidad de agua nueva requerida por el sistema.

2.2.3 Proceso de Generación de Vapor

La figura 1 representa el funcionamiento de un sistema de generación y distribución de vapor.

El sistema debe ser alimentado con agua debidamente tratada y purificada para evitar que impurezas se acumulen en la caldera, dañando a largo plazo el sistema. En el agua cruda deben eliminarse los sólidos de suspensión, mientras que tanto en éste líquido como en el líquido realimentado se debe reducir la dureza del agua provocada por las sales de calcio, magnesio y silicio; y eliminar las impurezas solubles, así como eliminar el oxígeno disuelto en el agua y controlar su grado de acidez. La salida del agua se da por la línea de purgas, por donde se desecha parte del agua sobrante y las impurezas que se encuentren dentro del sistema.

El quemador es donde se consume el combustible fósil en combinación con el aire y se genera el calor que cambia el estado del agua para producir el vapor. El hogar de la caldera es donde se termina de transmitir el calor del combustible pues es ahí donde se da el cambio de estado del agua y donde termina la combustión iniciado en el quemador. La forma del hogar de la caldera varía dependiendo de la construcción de la misma, pero cumple la misma función final.



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Figura N

o1 – Esquema de generación de vapor. [2]

La alimentación del combustible varía dependiendo de la naturaleza del combustible. En los casos alimentados por gas es vital controlar la presión del mismo. En los casos de combustible líquido afectan también la temperatura, la recirculación, y el medio de atomización.

La alimentación del aire para la combustión depende del combustible y la temperatura de operación. Se debe evitar los excesos de aire tanto en el quemador tanto como las filtraciones de aire en otros sectores del sistema.

Por último, la limpieza en el quemador mejora el proceso de combustión y evita las pérdidas de calor.

En el proceso del vapor se define le utilidad final del sistema. Éste proceso debe haber sido diseñado correctamente y luego ser rigurosamente controlado para que mantenga la mayor eficiencia posible. De nuevo, las pérdidas de calor afectan negativamente el sistema. Las líneas de vapor deben estar debidamente aisladas y tener un mantenimiento especialmente severo para asegurar en adecuado aprovechamiento del gas.

Se nota entonces la necesidad de un control estricto sobre muchas variables del proceso y el control automático es capaz de cumplir con amplia eficiencia con dichas tareas. El control automático en calderas de vapor se puede aplicar desde en el control de la calidad del agua hasta en el control de la temperatura del vapor.



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2.2.4 Tipos de calderas

1. Acuotubulares

Son aquellas donde el agua se encuentra en tubos donde se calienta por transferencia de calor por conducción. La combustión se da en la cámara destinada a dicha función es atravesada por los tubos de agua, que entonces se calienta y cambia a estado gaseoso. Se utilizan tubos longitudinales para aumentar la superficie de calefacción y se colocan de forma inclinada para que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerza naturalmente la entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando se requiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes potencias fueron muy utilizadas en centrales eléctricas y otras industrias de principios del siglo XX. El vapor producido es de naturaleza seca, por lo que también es ideal para los sistemas de transmisión de calor. Se caracterizaban además por sus dimensiones totales reducidas y por ser originalmente construidas para uso con combustibles sólidos, mientras que son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o diesel.

2. Pirotubulares

En las calderas pirotubulares es el gas caliente producto de la combustión el que viaja por los tubos, calentando el agua de la cámara y transformándola a estado gaseoso. El vapor es acumulado y dirigido por una cámara superior. El calor de la combustión es aprovechado de mejor manera al hacer circular el gas caliente por varios tubos de diámetro pequeño pues se genera una mayor superficie de calefacción y una distribución más uniforme del calor en la masa de agua. Sus ventajas incluyen un menor costo promedio debido a la simplicidad del diseño, mayor flexibilidad de operación, menores requerimientos de calidad para el agua alimentada, y el hecho de ser relativamente pequeñas pero bastante eficientes. Sin embargo no pueden ser utilizadas a presiones altas.

2.2.5 Eficiencia

La eficiencia de una caldera de vapor está determinada como el porcentaje de combustible que se convierte en energía calórica para generar el vapor. El método utilizado para calcular este parámetro generalmente es el de pérdidas de calor, en el que se suman las pérdidas individuales de calor como un porcentaje de la energía suministrada y se le resta al 100%. El valor del punto de operación normal de las calderas industriales es 80% y el rango de operación normalmente varía entre 65% y 85%.

Los pasos para asegurar un sistema eficiente son aquellos en los que se reduce la pérdida de calor. Se recomienda generalmente:

1. Asegurar una adecuada combustión. Éste proceso varía sensiblemente dependiendo del combustible utilizado, sin embargo se deben seguir las recomendaciones tanto del proveedor del combustible como del fabricante del quemador. Se debe alimentar el



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quemador con la proporción adecuada combustible-aire y asegurar la limpieza del quemador.

2. Eliminar las pérdidas de calor. Éstas se dan con mayor frecuencia por las chimeneas, radiación y purgas de calor y puede representar pérdidas de hasta 30% de eficiencia en los peores casos. En las chimeneas es necesaria el adecuado mantenimiento y el seguimiento de las normas del fabricante. Para disminuir las pérdidas por radiación, ya que es imposible eliminarlas por completo, se recomienda aislar las paredes del hogar de caldera y de la caldera en general. La caldera aislada adecuadamente no debería presentar pérdidas de más del 3%.

3. Considerar la recuperación del calor. Los economizadores y precalentadores de aire son instrumentos opcionales que mejoran la eficiencia de una caldera al utilizar el calor sobrante de los gases que ya han sido utilizados para calentar el agua y precalentar tanto el agua de alimentación como el aire de combustión. Los equipos de soplado y lavado utilizan el vapor sobrecalentado o el aire comprimido seco como medios de limpieza dentro de la caldera.

2.3 Problemas en los sistemas de producción de vapor Es importante notar que en la gran mayoría de los casos, las calderas son sistemas que tienen múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO por sus siglas en inglés Multiple Input, Multiple Output), por lo que su análisis es muy complejo.

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

1. Temperatura de operación.

2. Presión de operación.

3. Niveles de pH.

4. La dureza del agua.

5. Nivel del agua.

2.3.1 Temperatura de operación

Esta es una de las variables de más importantes a controlar, puesto que algunas aplicaciones en las que se utilizan las calderas tienen estrictos requerimientos en la temperatura del fluido, además que la eficiencia de la misma es directamente afectada por la temperatura de operación. Además existe una fuerte influencia de las fluctuaciones de la temperatura y presión del aire de combustión sobre el oxígeno residual en los gases de combustión, y por tanto en la calidad del proceso de combustión (eficiencia del equipo, contaminantes). Todas estas fluctuaciones requieren, por razones de seguridad, una mayor



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cantidad de aire que provoca la combustión, del que sería necesario para una correcta combustión, exceso del volumen de aire calentado innecesariamente que se traduce en pérdidas por la chimenea y incremento de contaminantes (principalmente CO2). Para cuantificar el peso en las fluctuaciones se considera la fórmula de Siegert en la cual la eficiencia de una caldera se calcula utilizando la medida del oxígeno residual contenido en los gases de salida y la diferencia de temperatura: t salida de gases – t aire de entrada .

η =100 − qA (1) donde η es la eficiencia de la caldera y qA las pérdidas por gases que se calculan de la siguiente manera:

%2

2

21)( B

O

Attq LAA +

−−= (2)

donde O2 es el porcentaje de oxigeno residual y A2 y B% son coeficientes característicos de cada combustible. En la tabla 1 se muestran estos coeficientes para dos combustibles comunes.

Gasóleo Gas natural A2 0.68 0.66 B% 0.007 0.009

Tabla No1 - Coeficientes característicos para diferentes combustibles comunes. [4]

2.3.2 Presión en el tanque y tuberías

En la mayoría de las aplicaciones de la industria, se requiere mantener una presión de servicio en un valor constante pese a variaciones en la demanda de vapor. Este valor de presion va a depender mucho de la temperatura que se requiere mantener y del volumen de vapor deseado para trabajar. Segun la Ley de Charles y Gay-Lussac, esta nos dice que el volumen de un gas depende de la temperatura y la presión a la que se encuentra, así aumentando temperatura aumenta el volumen y también con la Ley de Boyle-Mariotte, se dice que al aumentar la presión, el volumen disminuirá. Siempre se tiene en cuenta que si la cantidad de gas, aumenta el volumen.



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Figura No2 – Ley de Boyle-Mariotte y Ley de Charles y Gay-Lussac. [9]

Para los procesos de vaporización del agua, el vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta manera, su presión y su temperatura.

Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de forma tal que se logren los limites de diseño deseado, con un factor de seguridad razonable.

Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción domestica, la presión máxima de operación es de 104000 N/m2. En el caso del agua caliente, esta es igual a 232oC (450oF).

Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas, con base en la aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la unidad.

2.3.3 El pH del agua.

Las aguas pueden considerarse según la composición de sales minerales presentes en:

1. Aguas Duras: Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles, principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones.

2. Aguas Blandas: Su composición principal está dada por sales minerales de gran solubilidad.



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3. Aguas Neutras: Componen su formación una alta concentración de sulfatos y cloruros que no aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, o sea que no alteran sensiblemente el valor de pH.

4. Aguas Alcalinas: Las forman las que tienen importantes cantidades de carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua reacción alcalina elevando en consecuencia el valor del pH presente.

Los gases disueltos en el agua, provienen de la atmósfera, de desprendimientos gaseosos de determinados subsuelos, y en algunas aguas superficiales de la respiración de organismos animales y vegetales. los gases disueltos que suelen encontrarse son él oxigeno, nitrógeno, anhídrido carbónico presente procede de la atmósfera arrastrado y lavado por la lluvia, de la respiración de los organismos vivientes, de la descomposición anaeróbica de los hidratos de carbono y de la disolución de los carbonatos del suelo por acción de los ácidos, también puede aparecer como descomposición de los bicarbonatos cuando se modifica el equilibrio del agua que las contenga

El gas carbónico se disuelve en el agua, en parte en forma de gas y en parte reaccionando con el agua para dar ácido carbónico de naturaleza débil que se disocia como ión bicarbonato e ión hidrógeno, el que confiere al agua carácter ácido.

El pH es una medida de la actividad de los iones de hidrogeno (H+) en una solución y por tanto de su acidez o alcalinidad, dicha actividad esta relacionada con la constante de disociación del agua ( Kw = 1.011 × 10−14 a 25 °C) y con la interacción con otros iones. El concepto fue introducido por S.P.L. Sørensen en 1909. La p viene del Aleman Potenz que significa fuerza o potencia, y la H del ion de hidrógeno (H+). A veces es referido en Latin: pondus hydrogenii. [7]

El valor del pH es una medida sin unidades, y esta definido por la ecuación

pH = −log(H + ) (3)

donde H+ denota la concentración de iones de hidrogeno medida en moles por litro (molaridad).

Al aumentar el porcentaje de composición de algunos compuestos es normal ver comportamientos no lineales en el valor del pH, además de la ecuación se aprecia que el pH está es una función logarítmica (no lineal).



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Figura N

o3 – Nivel de pH. [3]

2.3.4 Dureza del Agua

La dureza del agua es una característica química determinada por el contenido de ciertas de sales minerales en el agua como las derivadas de carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos y ocasionalmente nitratos de calcio y magnesio. [6]

En calderas y sistemas enfriados por agua, se producen incrustaciones (costras) en las tuberías y una pérdida en la eficiencia de la transferencia de calor. Además estas incrustaciones producen que se reduzca el diámetro por el que pueden circular los fluidos en las tuberías afectando el rendimiento del sistema. Uno de los efectos más importante de estas incrustaciones es la reducción de la vida útil de las calderas y los costos de mantenimiento y reparación. [17] A esto tambien se le debe de añadir la corrosion.

1. Corrosion:

Para que esta aparezca, es necesario que exista presencia de agua en forma líquida, el vapor seco con presencia de oxígeno, no es corrosivo, pero los condensados formados en un sistema de esta naturaleza son muy corrosivos.

En las líneas de vapor y condensado, se produce el ataque corrosivo más intenso en las zonas donde se acumula agua condensada. La corrosión que produce el oxígeno, suele ser severa, debido a la entrada de aire al sistema, a bajo valor de pH, el bióxido de carbono abarca por si mismo los metales del sistema y acelera la velocidad de la corrosión del oxígeno disuelto cuando se encuentra presente en el oxígeno.

El oxígeno disuelto ataca las tuberías de acero al carbono formando montículos o tubérculos, bajo los cuales se encuentra una cavidad o celda de corrosión activa: esto suele tener una coloración negra, formada por un óxido ferroso- férrico hidratado.

Una forma de corrosión que suele presentarse con cierta frecuencia en calderas, corresponde a una reacción de este tipo:

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2 (4)



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Esta reacción se debe a la acción del metal sobre calentado con el vapor.

2. Incrustación.

La formación de incrustaciones en el interior de las calderas suelen verse con mayor frecuencia que lo estimado conveniente.

El origen de las mismas está dado por las sales presentes en las aguas de aporte a los generadores de vapor, las incrustaciones formadas son inconvenientes debido a que poseen una conductividad térmica muy baja y se forman con mucha rapidez en los puntos de mayor transferencia de temperatura.

Por esto, las calderas incrustadas requieren un mayor gradiente térmico entre el agua y la pared metálica que las calderas con las paredes limpias.

Las sustancias formadoras de incrustaciones son principalmente el carbonato de calcio, hidróxido de magnesio, sulfato de calcio y sílice, esto se debe a la baja solubilidad que presentan estas sales y algunas de ellas como es el caso del sulfato de calcio, decrece con el aumento de la temperatura. Estas incrustaciones forman depósitos duros muy adherentes, difíciles de remover, algunas de las causas más frecuentes de este fenómeno son las siguientes:

a) Excesiva concentración de sales en el interior de la unidad.

b) El vapor o condensado tienen algún tipo de contaminación.

c) Transporte de productos de corrosión a zonas favorables para su precipitación.

d) Aplicación inapropiada de productos químicos.

Las reacciones químicas principales que se producen en el agua de calderas con las sales presentes por el agua de aporte son las siguientes:

Ca ++ + 2 HCO3 - → CO3 Ca + CO2 + H2O (6) Ca ++ + SO4

= → SO4Ca Ca++ + SiO3

= → SiO3Ca (7) Mg++ + 2 CO3 H- → CO3 Mg + CO2 + H2O (8) CO3 Mg + 2 H2O → (HO)2 Mg + CO2Mg++ + SiO3 → SiO3 Mg (9)

2.3.5 Nivel de Agua

La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control de presión del agua de alimentación.



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Normalmente, el nivel del agua apropiado de una caldera de vapor considerado normal, es del llenado de 2 tercios del llenado del recipiente. A medida que la caldera funcione, el agua se convertirá rápidamente en vapor y saldrá del sistema.

A medida que el agua (en forma de vapor) sale hacia el sistema, el nivel del agua en la caldera, por supuesto, caerá. Cuánto cae depende mucho del diámetro, largo y condiciones del sistema de tuberías. Idealmente, el agua debe retornar a la caldera antes que el nivel de agua descienda por debajo de un punto crítico. Ese es el punto en el cual el control de bajo nivel de agua corta la energía al quemador, o abre un alimentador automático de agua.

Las tres variables que intervienen en el sistema son:

1. Caudal de vapor.

2. Caudal de alimentación de agua.

3. Nivel de agua.

Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de unos límites determinados, según dependiendo del fabricante, pero en termino generales siempre se tiene una marca o lugar para determinar cual es el limite inferior o superior del recipiente, siempre manteniendo márgenes de que no este totalmente lleno, para que ocurrir desbordes o totalmente vacío para que ocurrir recalentamientos por parte del quemador hacia la caldera. También se deben de tomar aspectos ajenos al llenado del agua, como sedimentos o infraestructura del llenado del recipiente.



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3.0 Control automático en una caldera

3.1 Sistemas de Control en Calderas Los sistemas involucrados en una caldera son de naturaleza no lineal sin embargo para fines prácticos estos se modelan como sistemas lineales lo que permite analizarlos con herramientas como funciones de transferencia y diagramas de bloques. En estos sistemas, el tipo de control automatizado utilizado es donde se trata de mantener un valor deseado dentro de una cantidad o condición, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, este tipo de sistemas exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana, donde un elemento importante es la realimentación.

La idea básica de lazo realimentado de control es mas fácilmente entendida imaginando qué es lo que un operador tendría que hacer si el control automático no existiera.

En el caso de las calderas los sistemas a controlar son de naturaleza dinámica, es decir; sus estados cambian de manera estocástica por lo tanto la topología de la lazo abierto no es capaz de controlar de manera efectiva este tipo de sistema; por lo tanto, se prefieren los sistemas retroalimentados.

El lazo de control realimentado simple sirve para ilustrar los cuatro elementos principales de cualquier lazo de control

Figura N

o4 – Lazo de control automático realimentado [15]

La medición debe ser hecha para indicar el valor actual de la variable controlada por el lazo. Mediciones corrientes usadas en la industria incluyen caudal, presión, temperatura, mediciones analíticas tales como pH, ORP, conductividad y muchas otras particulares específicas de cada industria.

En la figura No4 se puede observar, el manejo del sistema de lazo cerrado con retroalimentación, donde se obtiene una señal de error, según un valor deseado, comparado



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con el valor obtenido por medio de un sensor; y a su vez aplicar una acción correctiva al sistema, donde se procesa el error para corregirlo.

En caso de que el tipo de corrección sea, el valor instantáneo de una variable, se emplea el uso de un Controlador Proporcional, el cual consiste en el ajuste del valor por medio del ajuste en la ganancia del sistema. Si el proceso necesita el comportamiento del error en procesos pasados, se usa el Controlador Integral. En un ejemplo de control de válvulas, El controlador no debe comandar la válvula mas rápido que el tiempo muerto en el proceso, permitiendo que la medición responda, o de otra manera la válvula ira a sus límites antes de que la medición pueda ser retornada nuevamente al valor de consigna. La válvula se mantendrá entonces en su posición extrema hasta que la medición cruce el valor de consigna en la dirección opuesta. Haciendo que la acción en la válvula se ejecute en el momento deseado.

Finalmente, esta la tendencia del error la función es proporcional a la derivada del error respecto al tiempo (Controlador Derivativo), donde se analiza el proceso del sistema en el futuro.

Estos tres tipos de controladores son un caso particular de la familia de controladores PID (Proporcional-Integral-Derivativo) los cuales son los más utilizados en la industria, donde opera con las 3 operaciones de errores, el proporcional (de ganancia), el integral y el derivativo.

El controlador puede ser implementado con distintas tecnologías: pueden ser neumáticos, mecánicos, electrónicos analógicos, electrónicos digitales o combinaciones de ellos. Actualmente, se prefiere utilizar los sistemas de control distribuidos (DCS por sus siglas en ingles distributed control system), los sistemas de control lógico programables (PLC por sus siglas en inglés Programmable Logic Controller), o los sistemas de control directo digital (DDC por sus siglas en inglés Direct Digital Controller). [4]

3.2 Sistema de control de presión El control de la presión en el colector de vapor puede ser obtenido mediante la regulación de entrada de combustible al hogar de la caldera, la base de dicha regulación es mantener constante la presión de vapor en la caldera, tomando las variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.

La señal procedente del caudal de aire es modificada por un relé de relación para ajustar la relación entre el aire y el combustible, luego esta pasa a un controlador que la compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta, se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado hasta que la relación combustible-aire sea la correcta.

En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado. Estas características de combustión son las siguientes:



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1. Caudal combustible - caudal aire en serie: En este esquema de funcionamiento, el controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de combustible y esta variable actúa a través del relé de relación combustible-aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal de combustible influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador maestro se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varia la presión del vapor, el caudal de combustible cambia antes que el del aire de combustión. Si se limita el caudal de combustible, 1ógicamente quedará también limitado el caudal de aire. La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire; si así ocurre no hay aire de combustión pero el combustible continua circulando.

2. Caudal aire - caudal combustible en serie: Aquí la señal de aire ajusta a través del relé de relación el controlador de combustible. El sistema es más seguro que el anterior ya que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la señal de aire de combustión. Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga de la caldera a la salida del maestro de presión (común a varias calderas). La salida del controlador de carga es dirigida a dos selectores de máxima y de mínima, lo que permite que ante un aumento de la demanda de vapor la señal pase al controlador de aire, sin que el combustible o el gas aumente hasta que el aire no lo haya hecho; si la demanda de vapor disminuye, el combustible disminuye de primero y luego lo hace el aire, así si la señal de aire falla el caudal de combustible -oil baja a cero automáticamente.

3. Presión de vapor - caudal combustible /caudal vapor - caudal aire en serie: Este sistema se caracteriza por mantener con más seguridad la relación correcta aire- combustible aunque el combustible no sea medido correctamente. El controlador de presión de vapor ajusta el controlador de caudal de combustible. El transmisor de caudal de vapor ajusta el controlador de caudal de aire al sistema de control de combustión. Aunque las variaciones de caudal de vapor sean rápidas, las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como la presión de la línea de vapor principal.

4. Caudal aire - caudal combustible en paralelo: La ventaja principal que ofrece este sistema es su control directo en el combustible y en el aire. De hecho, para mantener una relación correcta combustible -aire conviene incorporar al sistema un relé de relación manual.

3.3 Control del nivel de agua La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control de presión del agua de alimentación, sin embargo; la presión de la caldera y el método de montaje son los factores principales en el momento de seleccionar un controlador de bajo nivel de agua. Esto se puede observar en la tabla No2.



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Máxima presión Conectar a la Proporcionado en la caldera Directamente en caldera con 1" Serie del Diámetro con control de bajopsi (Kg/cm2) toma de caldera tub. Equalizadora producto NPT Requerida nivel de agua

15 (1) X PS-800 03-abr No N/A

X 750/P 03-abr No N/AX 61 1 Si No

20 (1,4) X 67 01-feb Si SiX 69 2 1/2 No N/A

X 63 1 Si No50 (3,5) X 64 1 Si No

X 64-A 01-feb Si SiX 93/193 1 Si No

150 (10,5) X 150/150S/150E 1 Si NoX 157/157S/157E 1 Si No

250 (18) X 94/194 1 1/4 Si NoX 750B-C3/C4 1 Si No

Método de instalación Válvula de Purga

Tabla No2 - Selección de un controlador MacDonnell & Millar. [20]

La mejor recomendación para todas las calderas con combustión automática es una combinación de alimentador de agua y controlador de bajo nivel de agua. Esta combinación agrega la cantidad de agua que es necesaria para mantener un nivel de funcionamiento seguro, además; está puede interrumpir el circuito del quemador si el nivel de agua cae en la zona de emergencia.

Como las calderas para procesos entran en la clasificación de calderas que trabajan sistemas donde no retorna todo el condensado y es necesaria la introducción de agua de reposición, se recomienda instalar un alimentador de agua y un control de bajo nivel de agua por separado, para que los niveles de funcionamiento se puedan fijar al diferencial mas amplio requerido. De la misma forma que con el controlador la selección de la combinación adecuada de alimentador de agua y control de bajo nivel de agua depende, de la máxima presión en la caldera, del diferencial entre la presión de agua de suministro y el ajuste de la presión en la válvula de seguridad por alivio de la presión de vapor, además; del tamaño de la caldera, lo cual se puede observar en la Tabla No3.



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Serie Caracteristicas Máxima Presiónde la Calderapsi (kg/cm2)

10 (0,7) 20 (1,4) 30 (2,1) 40 (2,8) 50 (3,5) 60 (4,2) 70 (4,9)Uni-Match Para cald. de calef 15 (1,0)

encendido automát101A Para cald. de calef 25 (1,8)

encendido automát47 Para cald. de calef 25 (1,8)

o procesos47-2 Para cald. de calef 25 (1,8)

encendido automát247 Para cald. de calef 30 (2,1)

o procesos247-2 Para cald. de calef 30 (2,1)

encendido automát51 Para cald. de calef 35 (2,5) 8,600A 12,000A 15,000A 17,600A 20,000a 21,800a 23,400a

o procesos51-2 Para cald. de calef 35 (2,5) 8,600A 12,000A 15,000A 17,600A 20,000a 21,800a 23,400a

encendido automát51S Para cald. de calef 35 (2,5) 10,500a 17,500a 22,400a 26,500a 30,000a 32,600a 35,000a

o procesos51S-2 Para cald. de calef 35 (2,5) 10,500a 17,500a 22,400a 26,500a 30,000a 32,600a 35,000a

encendido automát53 Para cald. de calef 75 (5,3) 8,600a 11,600a 14,600a 17,000a 18,800a 20,600a 22,100a

o procesos53-2 Para cald. de calef 75 (5,3) 8,600a 11,600a 14,600a 17,000a 18,800a 20,600a 22,100a

encendido automát

Todas las calderas hasta de 5,000 pies2




Todas la calderas hasta de 5,000 pies2

Tamaño de la calderaCapacidad bruta en pies2 de radiación directa equivalente (EDR)

*Presión diferencial en psi (kg/cm2)


*La presión diferencial es la presión de suministro de agua a la caldera, menos el ajuste de presión de la válvula de seguridad del vapor

Tabla No3 - Selección de un alimentador de agua MacDonnell & Millar. [4]

El sistema de control del agua de alimentación también puede realizarse de acuerdo con la capacidad de producción de la caldera. En la regulación de nivel de un elemento representada en la figura No5 el único instrumento utilizado es el controlador de nivel que actúa sobre la válvula del agua de alimentación. El instrumento medidor de nivel puede ser del tipo desplazamiento o de presión diferencial de diafragma. En la figura No6 se puede observar el diagrama del lazo de control de nivel de agua de un elemento.



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Figura N

o5 - Control de nivel de agua actuando sobre la válvula del agua de alimentación. [14]

Figura N

o6 - Lazo de control de nivel de un elemento. [23]

Para las calderas de pequeña capacidad, inferior a 1000 kg/h, la regulación puede ser todo-nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de alimentación del agua.

En el caso de las calderas de capacidad media, las cuales van desde el orden de 2000 a 4000kg/h, puede utilizarse un controlador de flotador con un reóstato acoplado eléctricamente a una válvula motorizada eléctrica. Este conjunto actúa como un control proporcional con punto de consigna el punto medio del campo de medida del nivel de flotador.



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La regulación de nivel de dos elementos se logra con un controlador de caudal de vapor y un controlador de nivel cuyas señales de salida se comparan en un relé de relación que actúa directamente sobre la válvula de control del agua de alimentación. De acuerdo con la demanda de caudal de vapor hay una aportación inmediata de agua de alimentación a través del controlador secundario de nivel. Este último es utilizado solamente como reajuste de las variaciones que pueden producirse con el tiempo en el nivel de la caldera. En la figura No7 se muestra el diagrama de control de nivel de dos elementos.

Figura N

o7 - Controlador de nivel de dos elementos. [23]

La regulación de tres elementos busca eliminar el fenómeno de oscilación del nivel de agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente, las variables que intervienen en el sistema son: el caudal de vapor, el caudal de alimentación de agua y el nivel de agua. En la figura No8 se muestra el diagrama del controlador de nivel para un sistema de tres elementos.



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Figura N

o8 - Controlador de nivel de tres elementos. [23]

Cuando el caudal disminuye de una manera brusca, la presión disminuye produciendo un aumento en la demanda de vapor de la caldera, lo que fuerza una mayor evaporación y un aumento en el tamaño de las burbujas de vapor, con lo que se obtiene un aumento aparente en el nivel de la caldera. En caso contrario, cuando el caudal sufre un aumento de manera brusca, se obtendrá una disminución temporal en el nivel de la caldera.

Este fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones de caudal frecuentes y rápidas.

Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de unos límites determinados (normalmente de unos 50 mm por encima y por debajo de la línea central de la caldera). Manteniendo estas funciones en las tres variables, los instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre si de varias formas. Las más representativas son las que una señal anticipativa del caudal de vapor, se superpone al control de nivel, las cuales tienen por objetivo dar prioridad a las diferencias entre los caudales de agua y de vapor frente a las variaciones del nivel que pueden producirse ante una demanda súbita, es decir, el sistema de control en estas condiciones actúa obedeciendo a la diferencia relativa de caudales con preferencia a los cambios en el nivel. Se debe de tomar en cuenta que la medida del caudal de vapor



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preferiblemente debe de ser efectuado con una tobera, esto debido a su forma suave, la cual evita la erosión que de otra forma se produciría en una placa de orificio por causa de las gotas de agua que inevitablemente arrastra el vapor. El caudal de agua de alimentación puede medirse a través de una placa de orificio o de una tobera.

3.4 Control del pH del agua Con este sistema de control se busca el mantener el pH del agua dentro del un rango de valores que sean requeridos por la aplicación, de esta forma si durante la realización del proceso hay alteraciones en el valor del pH, el sistema de control debe determinar si debe de ser agregado un agente químico que logre restablecer el valor del pH al nivel deseado.

Para poder realizar esta operación, se utiliza un control de lazo cerrado el cual primero toma el valor del pH, del agua que entra en la caldera, luego la compara con el valor deseado en el proceso y en base a esta información determina la cantidad de agente que debe agregarse para igualar los valores en la figura No9 se puede observar el esquema del lazo de control para este sistema.

Figura N

o9 - Lazo de control del pH del agua en el tanque de una caldera. [3]

Se debe tomar en cuenta que este sistema de control presenta dos problemas que dificultan su control adecuado, las cuales son que el pH posee una característica poco lineal la cual obliga a realizar el control de su valor alrededor de un punto de operación, de manera que el controlador pueda variar su operación cuando se produzcan grandes cambios en su punto de operación sin que esto genere salidas erróneas en el proceso.

El otro problema, desde el momento en que es agregado el agente en el tanque existe un tiempo considerable para que este se mezcle completamente con el agua y así realice su función, lo que quiere decir que se produce un tiempo muerto considerablemente alto, por



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lo que durante este tiempo el controlador sigue recibiendo una señal de error y por consecuente el proceso se encuentre trabajando fuera del valor deseado durante este lapso.

Este tiempo muerto puede ser reducido por la correcta colocación del tanque como se muestra en la figura No9 y por una precisa sintonización de un controlador PID. Sin embargo, para la optimización de la respuesta en el tiempo se requiere utilizar un predictor de Smith basado en el modelo matemático del proceso.

Además, cuando la razón del flujo es mayor que la variación de la carga, el control del pH funciona mejor si es configurado como un controlador de razón. De esta manera, ante un aumento en el flujo; el controlador actúa con un aumento correspondiente del agente. Sin embargo, se suele realizar una combinación de ambos lazos; uno controla el nivel de pH con un predictor de Smith para compensar el tiempo muerto, mientras el otro funciona como controlador de razón para manipular el flujo. El producto de la salida de ambos proporciona el valor deseado de un tercer controlador que regula el flujo del agente. El módulo de control del fabricante Eurotherm Process Automation integra en una sola unidad los tres controladores de la forma como se muestra en la figura No9.

3.5 Controlador de la dureza del agua

Los problemas que son producidos por un valor inadecuado en la dureza de agua, peden ser solucionados mediante un controlador que se encargue de ablandar el agua cruda, la cual forma parte de la alimentación de la caldera, reduciendo las sales de calcio, magnesio y silicio, además de otras impurezas solubles antes de su ingreso a la caldera.

Una de las formas para reducir los posibles ingresos de estas sales, consiste en la adición de ortofosfatos a las aguas de la caldera, la cual frena el crecimiento de los cristales de carbonato y silicato calcicos.

En al figura No10 y la figura No11se puede observar el esquema de un sistema de control para la dureza de agua en una caldera.



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Figura N

o10 - Esquema del sistema de control de dureza del agua en una caldera [12]

Figura No11 - Esquema del sistema de control de dureza del agua en una caldera [8]

3.5.1 Controlador de purgas

Los controladores de purga, son un sistema paralelo de control al sistema de control de dureza del agua. Las purgas pueden ser localizadas en distintos puntos del sistema; estas pueden ser desde abajo del nivel de agua en el tanque de vapor o domo de vapor, desde el domo de lodos o cabezal inferior, o también desde el fondo de la caldera (Ver la figura No1).

Las purgas que se dan pueden ser continuas o intermitentes, algunos principios para llevar a cabo un programa efectivo de purgas son:

Para calderas de tipo acuotubulares, la concentración de impurezas debe controlarse realizando purgas continuas desde el domo de vapor.



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Además, para este tipo de calderas, el purgar desde el domo de lodos o del cabezal inferior elimina los sólidos en suspensión del agua en la caldera. Sin embargo, el tratar de controlar la concentración de impurezas purgando en este lugar, puede causar fallas severas en la circulación dentro de la caldera, lo cual puede producir serios daños en la misma. La purga en el fondo debe ser de poca duración, sobre una cantidad establecida, la cual es determinada por el diseño de la caldera, las condiciones de operación y la velocidad de acumulación de sólidos suspendidos.

La purga en calderas del tipo pirotubulares, puede hacerse de manera continua o intermitente, como también realizarse abajo del nivel de agua o desde el fondo. El tipo, la frecuencia con la que debe de ser realizada y la duración de la purga quedarán determinados por el diseño de la caldera, las condiciones de operación y el tipo de programa de tratamiento de agua.

Debido a que el nivel de dureza de agua es determinado por la cantidad de sólidos disueltos en el agua, para buscar la solución a estos problemas se puede utilizar el índice del Total de Sólidos Disueltos (SDT) el cual mide la concentración de sólidos.

Un nivel alto de SDT puede producir arrastres del agua e impurezas de la caldera con lo que se pueden producir problemas en la producción y la planta. Un nivel bajo de SDT es debido a una purga excesiva con el consiguiente gasto en combustible y químicos para el tratamiento del agua.

El caudal de purga puede ser calculado utilizando la siguiente relación:

generaciónpurga QFB

FQ

−= (10)

donde F es las partes por millón (ppm) de sólidos disueltos del agua de alimentación y B es partes por millón permitidas (ppm) en la caldera. En la figura No12 y en la figura No13, se muestran controladores de purga para calderas.

Figura N

o12 - Controlador de purga para calderas [5]



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Figura N

o13 - Controlador de purga para calderas [11]

3.6 Control de temperatura Debido a que la temperatura del vapor de una caldera tiene una relación directa a la presión de trabajo de la misma , por medio de una ley física y matemática. En la tabla # se puede apreciar las temperaturas del vapor en grados Celsius a distintas presiones de trabajo expresadas en atmósferas (Kg/cm2) y su equivalente en libras (PSI).



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Presión Presión TemperaturaKg/cm² lb/in² ó PSI Grados Celsius0,031 0,46 250,043 0,63 300,057 0,84 350,075 1,11 400,097 1,43 450,125 1,84 500,161 2,37 550,201 2,95 600,253 3,72 650,317 4,66 700,391 5,75 750,482 7,08 800,589 8,66 850,713 10,48 900,861 12,66 951,03 15 1001,23 18 1051,46 21 1101,72 25 1152,02 29 1202,37 34 1252,76 40 1303,21 47 1353,69 54 1404,24 62 1454,86 71 1505,55 81 1556,32 92 1607,17 105 1658,11 119 1709,13 134 17510,25 150 18011,49 168 18512,83 188 19014,31 210 19515,89 233 200

Tabla No4 - Temperatura del vapor en una caldera para distintas presiones [16]

Las calderas de vapor poseen un accesorio denominado sobrecalentadores los cuales también reciben el nombre de recalentadores de vapor, este elemento le permite controlar la temperatura del vapor producido dentro de la caldera, manteniendo constantemente la presión y modificando los caudales de combustible que ingresan en la misma; este elemento transforma el vapor saturado en vapor recalentado haciendo disminuir el peligro de que esté se condense dentro de la máquina, esto debido a que el vapor que llega a la



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fuente de consumo lo hace en estado más seco. Mediante el empleo de recalentadores, se puede llevar la temperatura del vapor hasta 350 ºC aproximadamente.

Los sobrecalentadores son de acero dulce, cuando la temperatura de recalentamiento no es superior a los 450 ºC, para temperaturas comprendidas entre 450 y 475 ºC, se usa acero dulce, al que se le agrega 0.5 % de molibdeno, para mayores temperaturas, se utilizan aleaciones de acero con bajo contenido de carbono, ya que este tipo de acero permite efectuar las soldaduras necesarias, sin necesidad de efectuar un precalentamiento previo del tubo.

Existen dos tipos de recalentadores, el de radiación en el cual el elemento calefactor lo constituye el calor radiado por la combustión. En el segundo tipo llamado convección, los gases de combustión son los que ceden calor al vapor.

Figura N

o14 - Controlador E5AK de Temperatura [10]



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4.0 Conclusiones

Las conclusiones finales de este trabajo son

1. En una caldera deben aplicarse sistemas de control automático debido a que presentan características dinámicas, no siguen un comportamiento lineal y se afectado por una serie de perturbaciones de la carga.

2. Los sistemas de control más importantes en una caldera son: el control de la presión y el control de la temperatura ya que estas son las que afectan en mayor grado la operación de la caldera. Sin embargo, existen además, otros controles indispensables ya que determinan la eficiencia y la vida útil del sistema, como lo son el control de pH y el control de dureza del agua.

3. Los controladores comerciales para calderas son controladores programables muy complejos que pueden controlar varios procesos a la vez.

4. Las calderas son máquinas de vapor cuyo uso industrial es extenso y de ahí se toma la importancia del estudio de los principios básicos para su control



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5.0 Bibliografía

[1] Calderas, tipos, características y sus funciones http://www.energia.inf.cu/iee-

mep/www/www.conae.gob.mx/programas/vapor/pregyresp.html#

[2] CONAE, Guía de vapor para la industria. México, octubre 2002. www.conae.gob.mx

[3] EUROTHERM , PH Control: Application Note. 2000. www.eurotherm.co.uk

[4] Fernández J; E. Torres; J. Salazar. Sistemas de Control en Calderas de Vapor, UCR 2005.

[5] http://cipres.cec.uchile.cl/~gteare/

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/durezadelagua

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/ph/

[8] http://www.britishwater.co.uk/html/softened_water.html

[9] http://www.computerhuesca.es/~fualles/gases/leycharles.htm

[10] http://www.ddigital.com.mx/omron/guiasdeseleccion/controlesdeproceso.htm

[11] http://www.electra.com.co

[12] http://www.excelwater.com/spa/b2c/water_tech_9.php

[13] http://www.freeflowiberica.com

[14] http://www.itap.edu.mx/carreras/ii/cursoslinea/INSTRUMENTACION/pagina_nueva

4.htm

[15] http://www.sapiensman.com/control_automatico

[16] http://www.scheitler.com.ar/Datos/DetallesDatos.asp?IdDatoUtil=162

[17] http://www.uc.cl/quimica/html/sabesquees.html#aquadura

[18] Lafuente J. Instalación de calderas de Vapor en Costa Rica (1904-1994), Revista Ingenieria, UCR, Vol 6, Numero 1. 1996. San José, Costa Rica.

[19] Marcelo Mensy, Generación de vapor.

[20] McDonnell & Millar, Controles de Calderas.

[21] Ramon A. Del Fresno, Maquinas motrices.

[22] Reglamento de Calderas, Decreto Nº 26789 y sus reformas. San José, julio 2001.

[23] U.S. Army Corps of Engineers, Naval Facilities Engineering Command, Air Force Civil Engineer Support Agency, Design: boiler control systems. 2001 http://www.ccb.org/docs/UFC/3_430_11.pdf

calderas control de

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