control calderas de vapor

7/28/2019 Control Calderas de Vapor

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Grupo 06 Verano 2006

Universidad de Costa Rica

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera ElctricaDepartamento de Automtica

IE 431 Sistemas de Control

MONOGRAFIA

Sistemas de control en calderas de vapor

GRUPO: 04

INTEGRANTES: Jose Fco. Barrantes DallAneseA10455

Alberto Campos Lobo

A21081

Eider Gutirrez Vargas

A22370

PERIODO: Verano 2006


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IE-431 Sistemas de Control en Calderas de Vapor


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TABLA DE CONTENIDO

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

1.0 Introduccin .................................................................................................. 3

2.0 Teora de maquinas de vapor ........................................................................ 4

2.1 Historia de las maquinas de vapor ....................................................................................... 42.2 Calderas................................................................................................................................. 5

2.2.1 Clasificacin legal .................................................................................................. 52.2.2 Partes del Sistema de Generacin de Vapor ........................................................... 62.2.3 Proceso de Generacin de Vapor............................................................................ 62.2.4 Tipos de calderas..................................................................................................... 82.2.5 Eficiencia ................................................................................................................ 8

2.3 Problemas en los sistemas de produccin de vapor ............................................................. 92.3.1 Temperatura de operacin.............................................................................................. 92.3.2 Presin en el tanque y tuberas..................................................................................... 102.3.3 El pH del agua.............................................................................................................. 112.3.4 Dureza del Agua .......................................................................................................... 132.3.5 Nivel de Agua .............................................................................................................. 14

3.0 Control automtico en una caldera............................................................ 16

3.1 Sistemas de Control en Calderas........................................................................................ 163.2 Sistema de control de presin ............................................................................................ 173.3 Control del nivel de agua ................................................................................................... 183.4 Control del pH del agua ..................................................................................................... 243.5 Controlador de la dureza del agua ..................................................................................... 25

3.5.1 Controlador de purgas.................................................................................................. 263.6 Control de temperatura ...................................................................................................... 28

4.0 Conclusiones................................................................................................ 31

5.0 Bibliografa.................................................................................................. 32


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RESUMEN

El control automtico es de suma importancia para la industria,pues la vuelve ms eficiente y segura para los operarios. Lascalderas de vapor, a su vez son maquinas muy peligrosas cuandono son supervisadas cercanamente. Es por eso que el controlautomtico debe ser muy confiable en este tipo de maquinas y unconocimiento real del equipo es muy importante a la hora de

disear el control.La presente es una recopilacin de los detalles ms importantes aser tomados en cuenta al analizar el control automtico en calderasde vapor. La descripcin de las calderas de vapor y los cuidadosen su uso son tomados en cuenta para el anlisis posterior de lossistemas de control que se utilizan en el campo.


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1.0 Introduccin

Las calderas de vapor son maquinas que generan vapor de agua, el cual tiene gran cantidadde aplicaciones en la industria sobre todo como generador de energa mecnica ytransmisor de energa calrica.

Los usos que se le dan hoy en da al vapor no se comparan con los usos que tena durante elsiglo XIX, cuando el carbn era el motor del desarrollo industrial. El carbn se utilizabacomo combustible en las calderas de vapor, mientras que el vapor movi los ferrocarriles,los barcos, los primeros automviles y la industria en general. No fue hasta el desarrollodel motor de combustin interna y el refinado de los gases naturales y el petrleo que el

carbn y el vapor dejaron de ser usados como generadores de movimiento en el transporte,y an cuando el carbn fue totalmente reemplazado en la industria, el vapor sigui siendoun transmisor de energa excelente para tales efectos.

En Costa Rica el uso efectivo del vapor inici con la primera locomotora de vapor quecircul en el pas en 1872. Sin embargo, sera hasta el 21 de agosto de 1969 que seaplicara control legal al campo cuando se emiti 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 instalacin de calderas que se haba dado hasta elmomento as como por la diferencia tecnolgica entre las calderas previstas por elreglamento anterior y las calderas que se instalaban entonces.

Las calderas de vapor, como cualquier otro elemento de la industria moderna, se venbeneficiadas ampliamente en su eficiencia y seguridad al ser controladas automticamenteen vez de depender del control manual para su funcionamiento. Sobre todo porque al serun proceso termodinmico es inherentemente lento y el controlador automtico tiende areaccionar con mayor velocidad y precisin que el controlador humano. Se reconoceentonces la necesidad del estudio particular de los mtodos de control automtico en lascalderas de vapor dado su alto uso en la industria y los grandes beneficios que le da elcontrol automtico estas mquinas.


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2.0 Teora de maquinas de vapor

2.1 Historia de las maquinas de vaporLa mquina de vapor es un motor de combustin externa que transforma la energa delvapor de agua en energa mecnica. En esencia esta operacin se genera en dos etapas:Primero es generado previamente el vapor de agua en una caldera cerrada, luego el vapor apresin se introduce en un cilindro equipado con un pistn mvil, el cual es arrastradodebido a la expansin del vapor; luego empleando un mecanismo de biela-manivela este estransformado en un movimiento de rotacin. Una vez alcanzado el final de carrera del

pistn, este retorna a su posicin inicial expulsando el vapor de agua. Este ciclo escontrolado mediante una serie de vlvulas que regulan el flujo de vapor hacia y desde elcilindro.El primer registro de una mquina de vapor puede encontrarse en el manuscrito de Hernde Alejandra titulado Spiritalia seu Pneumatica, la invencin de los dispositivos descritoen dicho documento es desconocida, en cuanto pudieron haber sido creados por el autor opor el maestro de mismo llamado Ctesibio. Tampoco se conoce si esas invencionestuvieron alguna aplicacin real o si solo fueron simples juguetes.Esta primera tentativa de realizar una mquina de vapor realizada por Hern unida alesfuerzo de otros personalidades a travs del tiempo genero que Eduard Somerset, segundomarqus de Worcester inventara la primera mquina de vapor, de la cual se construyo un

modelo en Vauxhall en el ao de 1663, sin embardo no sera hasta el ao de 1665 queDircks quien era el biografo de Somerset la reconstruyera en el castillo de Rawlan.Sin embargo, dicha mquina no logr atraer los capitales necesarios como para serproducida y vendida. Es por esta causa que la invencin de la mquina de Somerset ha sidoatribuida a Thomas Savery, la cual patento en 1698, dicha mquina utilizaba dos cmarasde cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en una caldera. Estamquina no obtuvo una gran aceptacin en el mercado ingls, debido al alto riesgo deexplosin provocado por un incremento incontrolado de la presin.A diferencia de los dispositivos anteriores en los que el vapor acta sobre la propiasuperficie libre del agua para impulsarla Huygens disea en 1680 un aparato de pistn en elque el fluido es el aire caliente producido en una explosin que al enfriarse y contraerse

arrastra el mbolo elevando un peso. Luego en el ao de 1690 Denis Papin sustituyo el airepor vapor de agua, a la cual le realizo una modificacin en 1695, para la cual disea unhorno y generador de vapor de gran eficiencia con el que logra importantes ahorros decombustible y hasta cuatro golpes de pistn por minuto.La primera mquina de vapor concebida como una fuente universal de fuerza motriz fueconstruida en 1705 por Thomas Newcomen y su ayudante John Calley. Estos inventoresaplicaron el principio de Savery de condensar el vapor en el cilindro para el golpedescendente del pistn. Esta mquina vino a aportar importantes innovaciones las cuales


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eran un ingenioso sistema de vlvulas para regular la introduccin del vapor en el cilindro y

la inyeccin de agua fra para condensarlo.En 1769, James Watt patenta su primera mquina de vapor de uso universal, la cual podaser utilizada como aserradora, laminadora, tejedora y otras aplicaciones similares, estamquina presentaba la novedosa caracterstica de condensar el vapor fuera del cilindro,adems de que demostr tener una eficiencia considerablemente mayor que la deNewcomen. No contento con lo logrado con esta mquina Watt realizo mejoras sucesivasde la misma hasta hacer de ella el eficaz instrumento que la convertira en el verdaderomotor de la revolucin industrial.Sin embargo hay en da el uso de las maquinas de vapor ha ido disminuyendo dndole pasoa turbinas de vapor motores elctricos, los cuales realizan las mismas funciones con unaeficiencia mayor.

2.2 CalderasTodo recipiente cerrado en el cual se calienta agua o genera vapor para ser usado fuera del, a una presin mayor a la presin atmosfrica. Los supercalentadores, recalentadores,economizadores, u otras partes a presin, conectadas directamente a la caldera, sin laintervencin de vlvulas, sern consideradas como parte de la caldera. [22]

2.2.1 Clasificacin legal [22]

Se califican segn las siguientes categoras:

1. Segn su capacidad:

a) Categora A: Aquellas que generan ms de 7500 kg/h de vapor o que tengan una

superficie de calefaccin mayor a los 200 m2.

b) Categora B: Las que generen ms de 2000 kg/h de vapor o tengan ms que 60 m2de superficie de calefaccin.

c) Categora C: Cuando una caldera genere ms de 70 kg/h o presenten una superficiede calefaccin superior a los 2 m2.

d) Categora D: Las calderas que generen menos de 70 kg/h y tengan menos de 2 m 2de superficie de calefaccin.

2. Con relacin a su uso en nuevas y usadas.

3. Segn su instalacin en permanentes, temporales y porttiles.

4. Segn su ubicacin en zona rural, zona urbana, zona industrial o parque industrial.

5. Con relacin al combustible usado en: de combustible lquido, bnker, diesel, u otro; deenerga elctrica; de combustible gaseoso, u otro.

6. Con relacin al fluido calentado: de agua, de fluido trmico, u otro.

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


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8. Con relacin 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 Generacin de Vapor

Las partes principales del sistema son:

1. Sistema de alimentacin de agua. El cual est compuesto por el sistema de suministrode 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 generael calor necesario para transformar el agua en vapor.

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

4. Sistema de distribucin de calor. Sistema de tubos que llevan el vapor hasta donde elproceso lo requiera. stos tubos son llamados cabezales.

5. Sistema de retorno de condensados. Sistema de tubos que hacen retornar parte del aguacondensada durante el proceso. Estos tubos se llaman cabezales y ramales decondensado y el agua que transportan est caracterizada por su alta pureza. stesistema es muy recomendado pues reduce la cantidad de agua nueva requerida porel sistema.

2.2.3 Proceso de Generacin de Vapor

La figura 1 representa el funcionamiento de un sistema de generacin y distribucin de

vapor.El sistema debe ser alimentado con agua debidamente tratada y purificada para evitar queimpurezas se acumulen en la caldera, daando a largo plazo el sistema. En el agua crudadeben eliminarse los slidos de suspensin, mientras que tanto en ste lquido como en ellquido realimentado se debe reducir la dureza del agua provocada por las sales de calcio,magnesio y silicio; y eliminar las impurezas solubles, as como eliminar el oxgeno disueltoen el agua y controlar su grado de acidez. La salida del agua se da por la lnea de purgas,por donde se desecha parte del agua sobrante y las impurezas que se encuentren dentro delsistema.

El quemador es donde se consume el combustible fsil en combinacin con el aire y se

genera el calor que cambia el estado del agua para producir el vapor. El hogar de la calderaes donde se termina de transmitir el calor del combustible pues es ah donde se da elcambio de estado del agua y donde termina la combustin iniciado en el quemador. Laforma del hogar de la caldera vara dependiendo de la construccin de la misma, perocumple la misma funcin final.


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Figura No1 Esquema de generacin de vapor. [2]

La alimentacin del combustible vara dependiendo de la naturaleza del combustible. Enlos casos alimentados por gas es vital controlar la presin del mismo. En los casos decombustible lquido afectan tambin la temperatura, la recirculacin, y el medio deatomizacin.

La alimentacin del aire para la combustin depende del combustible y la temperatura deoperacin. Se debe evitar los excesos de aire tanto en el quemador tanto como lasfiltraciones de aire en otros sectores del sistema.

Por ltimo, la limpieza en el quemador mejora el proceso de combustin y evita lasprdidas de calor.

En el proceso del vapor se define le utilidad final del sistema. ste proceso debe haber sido

diseado correctamente y luego ser rigurosamente controlado para que mantenga la mayoreficiencia posible. De nuevo, las prdidas de calor afectan negativamente el sistema. Laslneas de vapor deben estar debidamente aisladas y tener un mantenimiento especialmentesevero para asegurar en adecuado aprovechamiento del gas.

Se nota entonces la necesidad de un control estricto sobre muchas variables del proceso y elcontrol automtico es capaz de cumplir con amplia eficiencia con dichas tareas. El controlautomtico en calderas de vapor se puede aplicar desde en el control de la calidad del aguahasta 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 decalor por conduccin. La combustin se da en la cmara destinada a dicha funcin esatravesada por los tubos de agua, que entonces se calienta y cambia a estado gaseoso. Seutilizan tubos longitudinales para aumentar la superficie de calefaccin y se colocan deforma inclinada para que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerzanaturalmente la entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando serequiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes potencias fueronmuy utilizadas en centrales elctricas y otras industrias de principios del siglo XX. Elvapor producido es de naturaleza seca, por lo que tambin es ideal para los sistemas de

transmisin de calor. Se caracterizaban adems por sus dimensiones totales reducidas ypor ser originalmente construidas para uso con combustibles slidos, mientras que sonutilizadas ahora principalmente con combustibles ecolgicos, gas o diesel.

2. Pirotubulares

En las calderas pirotubulares es el gas caliente producto de la combustin el que viaja porlos tubos, calentando el agua de la cmara y transformndola a estado gaseoso. El vapores acumulado y dirigido por una cmara superior. El calor de la combustin esaprovechado de mejor manera al hacer circular el gas caliente por varios tubos de dimetropequeo pues se genera una mayor superficie de calefaccin y una distribucin msuniforme del calor en la masa de agua. Sus ventajas incluyen un menor costo promedio

debido a la simplicidad del diseo, mayor flexibilidad de operacin, menoresrequerimientos de calidad para el agua alimentada, y el hecho de ser relativamentepequeas pero bastante eficientes. Sin embargo no pueden ser utilizadas a presiones altas.

2.2.5 Eficiencia

La eficiencia de una caldera de vapor est determinada como el porcentaje de combustibleque se convierte en energa calrica para generar el vapor. El mtodo utilizado paracalcular este parmetro generalmente es el de prdidas de calor, en el que se suman lasprdidas individuales de calor como un porcentaje de la energa suministrada y se le resta al100%. El valor del punto de operacin normal de las calderas industriales es 80% y elrango de operacin normalmente vara entre 65% y 85%.

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

1. Asegurar una adecuada combustin. ste proceso vara sensiblemente dependiendo delcombustible utilizado, sin embargo se deben seguir las recomendaciones tanto delproveedor del combustible como del fabricante del quemador. Se debe alimentar el


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quemador con la proporcin adecuada combustible-aire y asegurar la limpieza del

quemador.2. Eliminar las prdidas de calor. stas se dan con mayor frecuencia por las chimeneas,radiacin y purgas de calor y puede representar prdidas de hasta 30% de eficiencia en lospeores casos. En las chimeneas es necesaria el adecuado mantenimiento y el seguimientode las normas del fabricante. Para disminuir las prdidas por radiacin, ya que esimposible eliminarlas por completo, se recomienda aislar las paredes del hogar de caldera yde la caldera en general. La caldera aislada adecuadamente no debera presentar prdidasde ms del 3%.

3. Considerar la recuperacin del calor. Los economizadores y precalentadores de aireson 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 elagua de alimentacin como el aire de combustin. Los equipos de soplado y lavadoutilizan el vapor sobrecalentado o el aire comprimido seco como medios de limpieza dentrode la caldera.

2.3 Problemas en los sistemas de produccin de vaporEs importante notar que en la gran mayora de los casos, las calderas son sistemas quetienen mltiples entradas y mltiples salidas (MIMO por sus siglas en ingls MultipleInput, Multiple Output), por lo que su anlisis es muy complejo.

Las variables que se quieren controlar en una caldera pueden responden a la necesidad decumplir con los valores a mximos absolutos de operacin establecidos por el fabricante de

la caldera, o por requerimientos especiales relacionados con el proceso en s, o paracumplir con las normas y reglamentos estipulados para la operacin de calderas y paragarantizar la seguridad del sistema. Las variables ms importantes a controlar son:

1. Temperatura de operacin.

2. Presin de operacin.

3. Niveles de pH.

4. La dureza del agua.

5. Nivel del agua.

2.3.1 Temperatura de operacin

Esta es una de las variables de ms importantes a controlar, puesto que algunasaplicaciones en las que se utilizan las calderas tienen estrictos requerimientos en latemperatura del fluido, adems que la eficiencia de la misma es directamente afectada porla temperatura de operacin. Adems existe una fuerte influencia de las fluctuaciones de latemperatura y presin del aire de combustin sobre el oxgeno residual en los gases decombustin, y por tanto en la calidad del proceso de combustin (eficiencia del equipo,contaminantes). Todas estas fluctuaciones requieren, por razones de seguridad, una mayor


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cantidad de aire que provoca la combustin, del que sera necesario para una correcta

combustin, exceso del volumen de aire calentado innecesariamente que se traduce enprdidas por la chimenea y incremento de contaminantes (principalmente CO2). Paracuantificar el peso en las fluctuaciones se considera la frmula de Siegert en la cual laeficiencia de una caldera se calcula utilizando la medida del oxgeno residual contenido enlos gases de salida y la diferencia de temperatura: t salida de gases t aire deentrada.

=100 qA (1)

donde es la eficiencia de la caldera y q A las prdidas por gases que se calculan de lasiguiente manera:

%2

2

21)( BO

A

ttq LAA += (2)

donde O2 es el porcentaje de oxigeno residual y A2 y B% son coeficientes caractersticos decada combustible. En la tabla 1 se muestran estos coeficientes para dos combustiblescomunes.

Gasleo Gas naturalA2 0.68 0.66B% 0.007 0.009

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

2.3.2 Presin en el tanque y tuberas

En la mayora de las aplicaciones de la industria, se requiere mantener una presin deservicio en un valor constante pese a variaciones en la demanda de vapor. Este valor depresion va a depender mucho de la temperatura que se requiere mantener y del volumen devapor deseado para trabajar. Segun la Ley de Charles y Gay-Lussac, esta nos dice que elvolumen de un gas depende de la temperatura y la presin a la que se encuentra, asaumentando temperatura aumenta el volumen y tambin con la Ley de Boyle-Mariotte, sedice que al aumentar la presin, el volumen disminuir. Siempre se tiene en cuenta que sila 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 vaporizacin del agua, el vapor o el agua caliente se producenmediante la transferencia de calor del proceso de combustin que ocurre en el interior de lacaldera, elevando, de esta manera, su presin y su temperatura.

Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente contenedor orecipiente de presin debe disearse de forma tal que se logren los limites de diseodeseado, con un factor de seguridad razonable.

Por lo general, en las calderas pequeas empleadas para la calefaccin domestica, lapresin mxima de operacin es de 104000 N/m2. En el caso del agua caliente, esta es iguala 232oC (450oF).

Las calderas grandes se disean para diferentes presiones y temperaturas, con base en laaplicacin dentro del ciclo del calor para la cual se disea la unidad.

2.3.3 El pH del agua.

Las aguas pueden considerarse segn la composicin de sales minerales presentes en:1. Aguas Duras: Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles,principales responsables de la formacin de depsitos e incrustaciones.

2. Aguas Blandas: Su composicin principal est dada por sales minerales de gransolubilidad.


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3. Aguas Neutras: Componen su formacin una alta concentracin de sulfatos y cloruros

que no aportan al agua tendencias cidas o alcalinas, o sea que no alteran sensiblemente elvalor de pH.

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

Los gases disueltos en el agua, provienen de la atmsfera, de desprendimientos gaseosos dedeterminados subsuelos, y en algunas aguas superficiales de la respiracin de organismosanimales y vegetales. los gases disueltos que suelen encontrarse son l oxigeno, nitrgeno,anhdrido carbnico presente procede de la atmsfera arrastrado y lavado por la lluvia, dela respiracin de los organismos vivientes, de la descomposicin anaerbica de los hidratos

de carbono y de la disolucin de los carbonatos del suelo por accin de los cidos, tambinpuede aparecer como descomposicin de los bicarbonatos cuando se modifica el equilibriodel agua que las contenga

El gas carbnico se disuelve en el agua, en parte en forma de gas y en parte reaccionandocon el agua para dar cido carbnico de naturaleza dbil que se disocia como inbicarbonato e in hidrgeno, el que confiere al agua carcter cido.

El pH es una medida de la actividad de los iones de hidrogeno (H+) en una solucin y portanto de su acidez o alcalinidad, dicha actividad esta relacionada con la constante dedisociacin del agua ( Kw = 1.011 1014 a 25 C) y con la interaccin con otros iones.El concepto fue introducido por S.P.L. Srensen en 1909. La p viene del Aleman Potenz

que significa fuerza o potencia, y la H del ion de hidrgeno (H+). A veces es referido enLatin: pondus hydrogenii. [7]

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

pH = log(H + ) (3)

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

Al aumentar el porcentaje de composicin de algunos compuestos es normal vercomportamientos no lineales en el valor del pH, adems de la ecuacin se aprecia que el pHest es una funcin logartmica (no lineal).


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Figura No3 Nivel de pH. [3]

2.3.4 Dureza del Agua

La dureza del agua es una caracterstica qumica determinada por el contenido de ciertas desales 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 lastuberas y una prdida en la eficiencia de la transferencia de calor. Adems estasincrustaciones producen que se reduzca el dimetro por el que pueden circular los fluidosen las tuberas afectando el rendimiento del sistema. Uno de los efectos ms importante de

estas incrustaciones es la reduccin de la vida til de las calderas y los costos demantenimiento y reparacin. [17] A esto tambien se le debe de aadir la corrosion.

1. Corrosion:

Para que esta aparezca, es necesario que exista presencia de agua en forma lquida, el vaporseco con presencia de oxgeno, no es corrosivo, pero los condensados formados en unsistema de esta naturaleza son muy corrosivos.

En las lneas de vapor y condensado, se produce el ataque corrosivo ms intenso en laszonas donde se acumula agua condensada. La corrosin que produce el oxgeno, suele sersevera, debido a la entrada de aire al sistema, a bajo valor de pH, el bixido de carbonoabarca por si mismo los metales del sistema y acelera la velocidad de la corrosin del

oxgeno disuelto cuando se encuentra presente en el oxgeno.El oxgeno disuelto ataca las tuberas de acero al carbono formando montculos otubrculos, bajo los cuales se encuentra una cavidad o celda de corrosin activa: esto sueletener una coloracin negra, formada por un xido ferroso- frrico hidratado.

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

3 Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2 (4)


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Esta reaccin se debe a la accin del metal sobre calentado con el vapor.2. Incrustacin.

La formacin de incrustaciones en el interior de las calderas suelen verse con mayorfrecuencia que lo estimado conveniente.

El origen de las mismas est dado por las sales presentes en las aguas de aporte a losgeneradores de vapor, las incrustaciones formadas son inconvenientes debido a que poseenuna conductividad trmica muy baja y se forman con mucha rapidez en los puntos demayor transferencia de temperatura.

Por esto, las calderas incrustadas requieren un mayor gradiente trmico entre el agua y la

pared metlica que las calderas con las paredes limpias.Las sustancias formadoras de incrustaciones son principalmente el carbonato de calcio,hidrxido de magnesio, sulfato de calcio y slice, esto se debe a la baja solubilidad quepresentan estas sales y algunas de ellas como es el caso del sulfato de calcio, decrece con elaumento de la temperatura. Estas incrustaciones forman depsitos duros muy adherentes,difciles de remover, algunas de las causas ms frecuentes de este fenmeno son lassiguientes:

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

b) El vapor o condensado tienen algn tipo de contaminacin.

c) Transporte de productos de corrosin a zonas favorables para su precipitacin.

d) Aplicacin inapropiada de productos qumicos.

Las reacciones qumicas principales que se producen en el agua de calderas con las salespresentes 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 regulacin del agua de alimentacin que establece el nivel de la caldera depende demltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control depresin del agua de alimentacin.


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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, elagua se convertir rpidamente en vapor y saldr del sistema.

A medida que el agua (en forma de vapor) sale hacia el sistema, el nivel del agua en lacaldera, por supuesto, caer. Cunto cae depende mucho del dimetro, largo y condicionesdel sistema de tuberas. Idealmente, el agua debe retornar a la caldera antes que el nivel deagua descienda por debajo de un punto crtico. Ese es el punto en el cual el control de bajonivel de agua corta la energa al quemador, o abre un alimentador automtico de agua.

Las tres variables que intervienen en el sistema son:

1. Caudal de vapor.

2. Caudal de alimentacin de agua.3. Nivel de agua.

Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de aguadeben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse peridicamentepara que se mantenga dentro de unos lmites determinados, segn dependiendo delfabricante, pero en termino generales siempre se tiene una marca o lugar para determinarcual es el limite inferior o superior del recipiente, siempre manteniendo mrgenes de queno este totalmente lleno, para que ocurrir desbordes o totalmente vaco para que ocurrirrecalentamientos por parte del quemador hacia la caldera. Tambin se deben de tomaraspectos ajenos al llenado del agua, como sedimentos o infraestructura del llenado delrecipiente.


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3.0 Control automtico en una caldera

3.1 Sistemas de Control en CalderasLos sistemas involucrados en una caldera son de naturaleza no lineal sin embargo parafines prcticos estos se modelan como sistemas lineales lo que permite analizarlos conherramientas 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 deseadodentro de una cantidad o condicin, midiendo el valor existente, comparndolo con el valordeseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, este tipo desistemas exige un lazo cerrado de accin y reaccin que funcione sin intervencin humana,donde un elemento importante es la realimentacin.

La idea bsica de lazo realimentado de control es mas fcilmente entendida imaginandoqu es lo que un operador tendra que hacer si el control automtico no existiera.

En el caso de las calderas los sistemas a controlar son de naturaleza dinmica, es decir; susestados cambian de manera estocstica por lo tanto la topologa de la lazo abierto no escapaz de controlar de manera efectiva este tipo de sistema; por lo tanto, se prefieren lossistemas retroalimentados.

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

Figura No4 Lazo de control automtico realimentado [15]

La medicin debe ser hecha para indicar el valor actual de la variable controlada por ellazo. Mediciones corrientes usadas en la industria incluyen caudal, presin, temperatura,mediciones analticas tales como pH, ORP, conductividad y muchas otras particularesespecficas de cada industria.

En la figura No4 se puede observar, el manejo del sistema de lazo cerrado conretroalimentacin, donde se obtiene una seal de error, segn un valor deseado, comparado


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con el valor obtenido por medio de un sensor; y a su vez aplicar una accin correctiva al

sistema, donde se procesa el error para corregirlo.En caso de que el tipo de correccin sea, el valor instantneo de una variable, se emplea eluso de un Controlador Proporcional, el cual consiste en el ajuste del valor por medio delajuste en la ganancia del sistema. Si el proceso necesita el comportamiento del error enprocesos pasados, se usa el Controlador Integral. En un ejemplo de control de vlvulas, Elcontrolador no debe comandar la vlvula mas rpido que el tiempo muerto en el proceso,permitiendo que la medicin responda, o de otra manera la vlvula ira a sus lmites antes deque la medicin pueda ser retornada nuevamente al valor de consigna. La vlvula semantendr entonces en su posicin extrema hasta que la medicin cruce el valor deconsigna en la direccin opuesta. Haciendo que la accin en la vlvula se ejecute en elmomento deseado.

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

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

El controlador puede ser implementado con distintas tecnologas: pueden ser neumticos,mecnicos, electrnicos analgicos, electrnicos digitales o combinaciones de ellos.

Actualmente, se prefiere utilizar los sistemas de control distribuidos (DCS por sus siglas eningles distributed control system), los sistemas de control lgico programables (PLC porsus siglas en ingls Programmable Logic Controller), o los sistemas de control directodigital (DDC por sus siglas en ingls Direct Digital Controller). [4]

3.2 Sistema de control de presinEl control de la presin en el colector de vapor puede ser obtenido mediante la regulacinde entrada de combustible al hogar de la caldera, la base de dicha regulacin es mantenerconstante la presin de vapor en la caldera, tomando las variaciones como una medida de ladiferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.

La seal procedente del caudal de aire es modificada por un rel de relacin para ajustar la

relacin entre el aire y el combustible, luego esta pasa a un controlador que la compara conla seal de caudal de combustible. Si la proporcin no es correcta, se emite una seal alservomotor de mando del ventilador o a la vlvula de mariposa, de modo que el caudal deaire es ajustado hasta que la relacin combustible-aire sea la correcta.

En la regulacin de la combustin puede darse preferencia en el mando al combustible o alaire para que la operacin de la caldera corresponda a un sistema determinado. Estascaractersticas de combustin son las siguientes:


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1. Caudal combustible - caudal aire en serie: En este esquema de funcionamiento, el

controlador de presin ajusta el punto de consigna del controlador de caudal decombustible y esta variable acta a travs del rel de relacin combustible-aire, como puntode consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal de combustibleinfluyen lentamente en la seal de presin de vapor, el controlador maestro se ajusta parauna respuesta rpida ante cambios en la presin. En esta disposicin si varia la presin delvapor, el caudal de combustible cambia antes que el del aire de combustin. Si se limita elcaudal de combustible, 1gicamente quedar tambin limitado el caudal de aire. Ladesventaja principal del sistema es el riesgo de explosin que se presenta ante un fallo deaire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire; si as ocurre no hay aire decombustin pero el combustible continua circulando.

2. Caudal aire - caudal combustible en serie: Aqu la seal de aire ajusta a travs del relde relacin el controlador de combustible. El sistema es ms seguro que el anterior ya queelimina la posibilidad de formacin de una mezcla explosiva cuando falla la seal de airede combustin. Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga dela caldera a la salida del maestro de presin (comn a varias calderas). La salida delcontrolador de carga es dirigida a dos selectores de mxima y de mnima, lo que permiteque ante un aumento de la demanda de vapor la seal pase al controlador de aire, sin que elcombustible o el gas aumente hasta que el aire no lo haya hecho; si la demanda de vapordisminuye, el combustible disminuye de primero y luego lo hace el aire, as si la seal deaire falla el caudal de combustible -oil baja a cero automticamente.

3. Presin de vapor - caudal combustible /caudal vapor - caudal aire en serie: Este sistema

se caracteriza por mantener con ms seguridad la relacin correcta aire- combustibleaunque el combustible no sea medido correctamente. El controlador de presin de vaporajusta el controlador de caudal de combustible. El transmisor de caudal de vapor ajusta elcontrolador de caudal de aire al sistema de control de combustin. Aunque las variacionesde caudal de vapor sean rpidas, las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como lapresin de la lnea de vapor principal.

4. Caudal aire - caudal combustible en paralelo: La ventaja principal que ofrece estesistema es su control directo en el combustible y en el aire. De hecho, para mantener unarelacin correcta combustible -aire conviene incorporar al sistema un rel de relacinmanual.

3.3 Control del nivel de aguaLa regulacin del agua de alimentacin que establece el nivel de la caldera depende demltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control depresin del agua de alimentacin, sin embargo; la presin de la caldera y el mtodo demontaje son los factores principales en el momento de seleccionar un controlador de bajonivel de agua. Esto se puede observar en la tabla No2.


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Mxima presin Conectar a la Proporcionadoen la caldera Directamente en caldera con 1" Serie del Dimetro con control de bajo

psi (Kg/cm2) toma de caldera tub. Equalizadora producto NPT Requerida nivel de agua

15 (1) X PS-80003-abr

No N/A

X 750/P03-abr

No N/A

X 61 1 Si No

20 (1,4) X 6701-feb

Si Si

X 69 2 1/2 No N/A

X 63 1 Si No

50 (3,5) X 64 1 Si No

X 64-A01-feb

Si Si

X 93/193 1 Si No150 (10,5) X 150/150S/150E 1 Si No

X 157/157S/157E 1 Si No

250 (18) X 94/194 1 1/4 Si No

X 750B-C3/C4 1 Si No

Mtodo de instalacin Vlvula de Purga

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

La mejor recomendacin para todas las calderas con combustin automtica es unacombinacin de alimentador de agua y controlador de bajo nivel de agua. Esta combinacinagrega la cantidad de agua que es necesaria para mantener un nivel de funcionamientoseguro, adems; est 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 clasificacin de calderas que trabajansistemas donde no retorna todo el condensado y es necesaria la introduccin de agua dereposicin, se recomienda instalar un alimentador de agua y un control de bajo nivel deagua por separado, para que los niveles de funcionamiento se puedan fijar al diferencialmas amplio requerido. De la misma forma que con el controlador la seleccin de lacombinacin adecuada de alimentador de agua y control de bajo nivel de agua depende, dela mxima presin en la caldera, del diferencial entre la presin de agua de suministro y elajuste de la presin en la vlvula de seguridad por alivio de la presin de vapor, adems;del tamao de la caldera, lo cual se puede observar en la Tabla N o3.


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Serie Caracteristicas Mxima Presin

de 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 automt

101A Para cald. de calef 25 (1,8)

encendido automt

47 Para cald. de calef 25 (1,8)

o procesos

47-2 Para cald. de calef 25 (1,8)

encendido automt

247 Para cald. de calef 30 (2,1)

o procesos

247-2 Para cald. de calef 30 (2,1)

encendido automt

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

o procesos

51-2 Para cald. de calef 35 (2,5) 8,600A 12,000A 15,000A 17,600A 20,000a 21,800a 23,400a

encendido automt

51S Para cald. de calef 35 (2,5) 10,500a 17,500a 22,400a 26,500a 30,000a 32,600a 35,000a

o procesos

51S-2 Para cald. de calef 35 (2,5) 10,500a 17,500a 22,400a 26,500a 30,000a 32,600a 35,000a

encendido automt

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

o procesos

53-2 Para cald. de calef 75 (5,3) 8,600a 11,600a 14,600a 17,000a 18,800a 20,600a 22,100a

encendido automt

Todas las calderas hasta de 5,000 pies2




Todas la calderas hasta de 5,000 pies2

Tamao de la caldera

Capacidad bruta en pies2 de radiacin directa equivalente (EDR)*Presin diferencial en psi (kg/cm2)


*La presin diferencial es la presin de suministro de agua a la caldera, menos el ajuste de presin de la vlvula de seguridad del vaporTabla N

o3 - Seleccin de un alimentador de agua MacDonnell & Millar. [4]

El sistema de control del agua de alimentacin tambin puede realizarse de acuerdo con lacapacidad de produccin de la caldera. En la regulacin de nivel de un elementorepresentada en la figura No5 el nico instrumento utilizado es el controlador de nivel queacta sobre la vlvula del agua de alimentacin. El instrumento medidor de nivel puede serdel tipo desplazamiento o de presin diferencial de diafragma. En la figura No6 se puedeobservar el diagrama del lazo de control de nivel de agua de un elemento.


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Figura No5 - Control de nivel de agua actuando sobre la vlvula del agua de alimentacin. [14]

Figura No6 - Lazo de control de nivel de un elemento. [23]

Para las calderas de pequea capacidad, inferior a 1000 kg/h, la regulacin puede ser todo-

nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de alimentacindel agua.

En el caso de las calderas de capacidad media, las cuales van desde el orden de 2000 a4000kg/h, puede utilizarse un controlador de flotador con un restato acopladoelctricamente a una vlvula motorizada elctrica. Este conjunto acta como un controlproporcional con punto de consigna el punto medio del campo de medida del nivel deflotador.


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La regulacin de nivel de dos elementos se logra con un controlador de caudal de vapor y

un controlador de nivel cuyas seales de salida se comparan en un rel de relacin queacta directamente sobre la vlvula de control del agua de alimentacin. De acuerdo con lademanda de caudal de vapor hay una aportacin inmediata de agua de alimentacin a travsdel controlador secundario de nivel. Este ltimo es utilizado solamente como reajuste de lasvariaciones que pueden producirse con el tiempo en el nivel de la caldera. En la figura No7se muestra el diagrama de control de nivel de dos elementos.

Figura No7 - Controlador de nivel de dos elementos. [23]

La regulacin de tres elementos busca eliminar el fenmeno de oscilacin del nivel de aguaque se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rpidamente, las variables queintervienen en el sistema son: el caudal de vapor, el caudal de alimentacin de agua y el

nivel de agua. En la figura No

8 se muestra el diagrama del controlador de nivel para unsistema de tres elementos.


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Figura No8 - Controlador de nivel de tres elementos. [23]

Cuando el caudal disminuye de una manera brusca, la presin disminuye produciendo unaumento en la demanda de vapor de la caldera, lo que fuerza una mayor evaporacin y unaumento en el tamao de las burbujas de vapor, con lo que se obtiene un aumento aparenteen el nivel de la caldera. En caso contrario, cuando el caudal sufre un aumento de manerabrusca, se obtendr una disminucin temporal en el nivel de la caldera.

Este fenmeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas avariaciones de caudal frecuentes y rpidas.

Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de aguadeben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse peridicamentepara que se mantenga dentro de unos lmites determinados (normalmente de unos 50 mm

por encima y por debajo de la lnea central de la caldera). Manteniendo estas funciones enlas tres variables, los instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre si devarias formas. Las ms representativas son las que una seal anticipativa del caudal devapor, se superpone al control de nivel, las cuales tienen por objetivo dar prioridad a lasdiferencias entre los caudales de agua y de vapor frente a las variaciones del nivel quepueden producirse ante una demanda sbita, es decir, el sistema de control en estascondiciones acta obedeciendo a la diferencia relativa de caudales con preferencia a loscambios 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 erosin que de otra forma se producira en una placa de orificio por causa de lasgotas de agua que inevitablemente arrastra el vapor. El caudal de agua de alimentacinpuede medirse a travs de una placa de orificio o de una tobera.

3.4 Control del pH del aguaCon este sistema de control se busca el mantener el pH del agua dentro del un rango devalores que sean requeridos por la aplicacin, de esta forma si durante la realizacin delproceso hay alteraciones en el valor del pH, el sistema de control debe determinar si debede ser agregado un agente qumico que logre restablecer el valor del pH al nivel deseado.

Para poder realizar esta operacin, se utiliza un control de lazo cerrado el cual primerotoma el valor del pH, del agua que entra en la caldera, luego la compara con el valordeseado en el proceso y en base a esta informacin determina la cantidad de agente quedebe agregarse para igualar los valores en la figura No9 se puede observar el esquema dellazo de control para este sistema.

Figura No9 - 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 dificultansu control adecuado, las cuales son que el pH posee una caracterstica poco lineal la cualobliga a realizar el control de su valor alrededor de un punto de operacin, de manera queel controlador pueda variar su operacin cuando se produzcan grandes cambios en su puntode operacin sin que esto genere salidas errneas en el proceso.

El otro problema, desde el momento en que es agregado el agente en el tanque existe untiempo considerable para que este se mezcle completamente con el agua y as realice sufuncin, 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 seal 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 colocacin del tanque como semuestra en la figura No9 y por una precisa sintonizacin de un controlador PID. Sinembargo, para la optimizacin de la respuesta en el tiempo se requiere utilizar un predictorde Smith basado en el modelo matemtico del proceso.

Adems, cuando la razn del flujo es mayor que la variacin de la carga, el control del pHfunciona mejor si es configurado como un controlador de razn. De esta manera, ante unaumento en el flujo; el controlador acta con un aumento correspondiente del agente. Sinembargo, se suele realizar una combinacin de ambos lazos; uno controla el nivel de pHcon un predictor de Smith para compensar el tiempo muerto, mientras el otro funciona

como controlador de razn para manipular el flujo. El producto de la salida de ambosproporciona el valor deseado de un tercer controlador que regula el flujo del agente. Elmdulo de control del fabricante Eurotherm Process Automation integra en una sola unidadlos 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, pedenser solucionados mediante un controlador que se encargue de ablandar el agua cruda, lacual forma parte de la alimentacin de la caldera, reduciendo las sales de calcio, magnesioy silicio, adems 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 adicin deortofosfatos a las aguas de la caldera, la cual frena el crecimiento de los cristales decarbonato y silicato calcicos.

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


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Figura No10 - 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 dedureza del agua. Las purgas pueden ser localizadas en distintos puntos del sistema; estaspueden 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 tambin desde el fondo de la caldera (Ver la figuraNo1).

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

Para calderas de tipo acuotubulares, la concentracin de impurezas debe controlarserealizando purgas continuas desde el domo de vapor.


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Adems, para este tipo de calderas, el purgar desde el domo de lodos o del cabezal inferior

elimina los slidos en suspensin del agua en la caldera. Sin embargo, el tratar de controlarla concentracin de impurezas purgando en este lugar, puede causar fallas severas en lacirculacin dentro de la caldera, lo cual puede producir serios daos en la misma. La purgaen el fondo debe ser de poca duracin, sobre una cantidad establecida, la cual esdeterminada por el diseo de la caldera, las condiciones de operacin y la velocidad deacumulacin de slidos suspendidos.

La purga en calderas del tipo pirotubulares, puede hacerse de manera continua ointermitente, como tambin realizarse abajo del nivel de agua o desde el fondo. El tipo, lafrecuencia con la que debe de ser realizada y la duracin de la purga quedarndeterminados por el diseo de la caldera, las condiciones de operacin y el tipo deprograma de tratamiento de agua.

Debido a que el nivel de dureza de agua es determinado por la cantidad de slidos disueltosen el agua, para buscar la solucin a estos problemas se puede utilizar el ndice del Total deSlidos Disueltos (SDT) el cual mide la concentracin de slidos.

Un nivel alto de SDT puede producir arrastres del agua e impurezas de la caldera con loque se pueden producir problemas en la produccin y la planta. Un nivel bajo de SDT esdebido a una purga excesiva con el consiguiente gasto en combustible y qumicos para eltratamiento del agua.

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

generacinpurga QFB

F

Q = (10)

donde F es las partes por milln (ppm) de slidos disueltos del agua de alimentacin y B es partes por milln permitidas (ppm) en la caldera. En la figura No12 y en la figura No13, semuestran controladores de purga para calderas.

Figura No12 - Controlador de purga para calderas [5]


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Figura No13 - Controlador de purga para calderas [11]

3.6 Control de temperaturaDebido a que la temperatura del vapor de una caldera tiene una relacin directa a la presinde trabajo de la misma , por medio de una ley fsica y matemtica. En la tabla # se puedeapreciar las temperaturas del vapor en grados Celsius a distintas presiones de trabajoexpresadas en atmsferas (Kg/cm2) y su equivalente en libras (PSI).


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Presin Presin Temperatura

Kg/cm lb/in PSI Grados Cels ius0,031 0,46 25

0,043 0,63 30

0,057 0,84 35

0,075 1,11 40

0,097 1,43 45

0,125 1,84 50

0,161 2,37 55

0,201 2,95 60

0,253 3,72 65

0,317 4,66 70

0,391 5,75 75

0,482 7,08 80

0,589 8,66 850,713 10,48 90

0,861 12,66 95

1,03 15 100

1,23 18 105

1,46 21 110

1,72 25 115

2,02 29 120

2,37 34 125

2,76 40 130

3,21 47 135

3,69 54 140

4,24 62 145

4,86 71 1505,55 81 155

6,32 92 160

7,17 105 165

8,11 119 170

9,13 134 175

10,25 150 180

11,49 168 185

12,83 188 190

14,31 210 195

15,89 233 200 Tabla N

o4 - Temperatura del vapor en una caldera para distintas presiones [16]

Las calderas de vapor poseen un accesorio denominado sobrecalentadores los cualestambin reciben el nombre de recalentadores de vapor, este elemento le permite controlar latemperatura del vapor producido dentro de la caldera, manteniendo constantemente lapresin y modificando los caudales de combustible que ingresan en la misma; esteelemento transforma el vapor saturado en vapor recalentado haciendo disminuir el peligrode que est se condense dentro de la mquina, esto debido a que el vapor que llega a la


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fuente de consumo lo hace en estado ms seco. Mediante el empleo de recalentadores, se

puede llevar la temperatura del vapor hasta 350 C aproximadamente.Los sobrecalentadores son de acero dulce, cuando la temperatura de recalentamiento no essuperior a los 450 C, para temperaturas comprendidas entre 450 y 475 C, se usa acerodulce, al que se le agrega 0.5 % de molibdeno, para mayores temperaturas, se utilizanaleaciones de acero con bajo contenido de carbono, ya que este tipo de acero permiteefectuar las soldaduras necesarias, sin necesidad de efectuar un precalentamiento previo deltubo.

Existen dos tipos de recalentadores, el de radiacin en el cual el elemento calefactor loconstituye el calor radiado por la combustin. En el segundo tipo llamado conveccin, losgases de combustin son los que ceden calor al vapor.

Figura No14 - 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 automtico debido a que presentancaractersticas dinmicas, no siguen un comportamiento lineal y se afectado por una seriede perturbaciones de la carga.

2. Los sistemas de control ms importantes en una caldera son: el control de la presin y elcontrol de la temperatura ya que estas son las que afectan en mayor grado la operacin dela caldera. Sin embargo, existen adems, otros controles indispensables ya que determinanla eficiencia y la vida til del sistema, como lo son el control de pH y el control de durezadel agua.

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

4. Las calderas son mquinas de vapor cuyo uso industrial es extenso y de ah se toma laimportancia del estudio de los principios bsicos para su control


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5.0 Bibliografa

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

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

[4] Fernndez J; E. Torres; J. Salazar. Sistemas de Control en Calderas de Vapor, UCR2005.

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[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

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[19] Marcelo Mensy, Generacin de vapor.[20] McDonnell & Millar, Controles de Calderas.

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

[22]Reglamento de Calderas, Decreto N 26789 y sus reformas. San Jos, julio 2001.

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

control calderas de vapor

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