Julián Eduardo Centeno Daniel Fernando Rincón Capera Jose Luis Arenas VásquezOweimar Prada Contreras

Calderas de Vapor

Sistemas Mecatronicos

Para poder establecer una comparación apropiada entre lo que fueron, y como son ahora las calderas de vapor; es importante primero dar una definición de esta maquina, además de una descripción de las pautas o controles que se realizan a las calderas como lo son el control en nivel del agua y presión para realizar así un paralelo que nos lleve a entender mas fácilmente como el automatismo, en el que se basa actualmente la industria ha evolucionado a una maquina tan importante como una caldera de vapor

INTRODUCCION

Durante el Segundo Milenio• 1571 Primeros ensayos sobre la generación

de vapor• 1663 Primera aplicación útil de una máquina

de vapor• 1699 Primera máquina de vapor comercial Siglo XIX• 1805 Primera caldera vertical acuotubular• 1856 Primera caldera acuotubular con tubos

inclinados y cabezales• 1867 Primera caldera patentada para alta

presión• 1881 Caldera Stirling – tubos curvos Central de iluminación Edison Electric – 73 CC• 1885 Domos con placas de acero y uniones

soldadas• 1890 Primera regla para dimensionar

calderas

Historia

Siglo XX• 1900 Primeras calderas con tubos sin costura Alimentadores de velocidad variable• 1905 Atomización a vapor de en quemadores de petróleo• 1914 Ley sobre calderas en Código ASME• 1915 Primer medidor de flujo de agua y economizadores• 1920 Quemadores de lanza múltiple (multi-spud) Primeras calderas para la industria azucarera• 1922 Primer calentador de aire• 1923 Primer sistema de control de combustión automático• 1925 Primer generador de vapor con recalentamiento Primera unidad de alta presión CTE Massachussets, USA Primer control de agua de alimentación dos elementos Primera unidad para operación a 1,800 Psi• 1929 Calderas igneotubulares portátiles Examen con rayos X en domos soldados Primera caldera recuperación industria de pulpa y papel

Historia

• 1934 Primera caldera paquete igneotubular• 1938 Código de válvulas de seguridad Protección confiable por falla de flama• 1942 Primera caldera de circulación controlada• 1946 Supervisión de nivel por TV• 1948 Primeros hornos ciclón carbón pulverizado• 1950 Control de temperatura por recirculación de gases Supervisión de flama por TV• 1952 Detectores de flama infrarrojos• 1958 Detectores de flama ultravioleta Primera caldera operando a 2,650 Psi.• 1965 Participación del vapor en centrales nucleares• 1990 Mayor énfasis reducción de contaminación Conservación de energía y proyectos de plantas de cogeneración

Historia

¿Que es?

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor saturado.

Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.

Calderas de Gran Volumen de Agua.Calderas Sencillas.Estas calderas se componen de un cilindro de planchas de acero con fondos combados. En la parte central superior se instala una cúpula cilíndrica llamada domo, donde se encuentra el vapor más seco de la caldera, que se conduce por cañerías a las máquinas. La planchas de la calderas, así como los fondos y el domo se unen por remachadura.Esta caldera se monta en una mampostería de anillos refractario, y allí se instalan el fogón carnicero y conducto de humo. En el hogar, situado en la parte inferior de la caldera, se encuentran las parrillas de fierro fundido y al fondo un muro de ladrillos refractarios, llamado altar, el cual impide que se caiga el carbón y eleva las llamas acercándolas a la caldera.

Tipos

Calderas con Hervidores.Este tipo de calderas surgieron bajo la necesidad de producir mayor cantidad de vapor. Los hervidores son unos tubos que se montan bajo el cuerpo cilíndrico principal, de unos 12 metros de largo por 1.50 metros de diámetro; estos hervidores están unidos a este cilindro por medio de varios tubos adecuados.Los gases del hogar calientan a los hervidores al ir hacia adelante por ambos lados del cuerpo cilíndrico superior, tal como en la caldera anteriormente mencionada.Las ventajas de estas calderas, a comparación de las otras, es por la mayor superficie de calefacción o de caldeo, sin aumento de volumen de agua, lo que aumenta la producción de vapor. Su instalación, construcción y reparación es sencilla. Los hervidores pueden cambiarse o repararse una vez dañados.

Calderas de Hogar Interior.En este tipo de calderas, veremos las características de funcionamiento de la caldera con tubos hogares "cornualles". Estas calderas están formadas por un cuerpo cilíndrico principal de fondos planos o convexos, conteniendo en su interior uno o dos grandes tubos sumergidos en agua, en cuya parte anterior se instala el hogar.El montaje se hace en mampostería, sobre soportes de fierro fundido, dejando un canal para que los humos calienten a la caldera por el interior en su recorrido hacia atrás, donde se conducen por otro canal a la chimenea.

Caldera Semitubular.Esta caldera se compone de un cilindro mayor de fondos planos, que lleva a lo largo un haz de tubos de 3" a 4" de diámetro. Los tubos se colocan expandidos en los fondos de la caldera, mediante herramientas especiales; se sitúan diagonalmente para facilitar su limpieza interior.Más arriba de los tubos se colocan algunos pernos o tirantes para impedir la deformación y ruptura de los fondos, por las continuas deformaciones debido a presión del vapor, que en la zona de los tubos estos sirven de tirantes.Para la instalación de la caldera se hace una base firme de concreto, de acuerdo al peso de ella y el agua que contiene. Sobre la base se coloca la mampostería de ladrillos refractarios ubicados convenientemente el hogar y conductos de humos.

Caldera de Mediano Volumen de Agua (Ignitubulares).

Caldera Locomotora.Esta caldera se compone de su hogar rectangular, llamada caja de fuego, seguido de un haz tubular que termina en la caja de humo. El nivel del agua queda sobre el ciclo del hogar, de tal manera que éste y los tubos quedan siempre bañados de agua.. Los tubos se fijan por expandidores a las dos placas tubulares y se pueden extraer por la caja de humo, cuando sea necesario reemplazarlos.Todas las calderas locomotoras se hacen de chimenea muy corta, las que producen pequeños tirajes naturales.

Calderas de Galloway.Reciben este nombre las calderas de uno o dos tubos hogares, como la Cornualles, provistas de tubos Galloway. Estos tubos son cónicos y se colocan inclinados en distintos sentidos, de tal manera que atraviesan el tubo hogar. Los tubos Galloway reciben el calor de los gases por su superficie exterior, aumentando la superficie total de calefacción de la caldera.

Semifijas.En algunas plantas eléctricas, aserraderos, molinos, etc., se emplea el conjunto de caldera y máquina vapor que recibe el nombre de "semifija".La caldera se compone de un cilindro mayor, donde se introduce el conjunto de hogar cilíndrico y haz de tubos, apernado y empaquetados en los fondos planos del cilindro exterior. El hogar y el haz de tubos quedan descentrados hacia abajo, para dejar mayor volumen a la cámara de vapor. Todo este conjunto se puede extraer hacia el lado del hogar, para efectuar reparaciones o limpieza.

Calderas Combinadas.Las construidas con más frecuencia son las calderas de hogar interior y semitubular. En la parte inferior hay una caldera Cornualles de dos o tres tubos hogares o una Galloway, combinada con una semi tubular que se sitúa más arriba. Ambas calderas tienen unidas sus cámaras de agua y de vapor, por tubos verticales.Los hogares se encuentran en la caldera inferior. Los gases quemados se dirigen hacia adelante, suben y atraviesan los tubos de la caldera superior, rodean después a esta caldera por la parte exterior, bajan y rodean a la inferior, pasando finalmente a la chimenea.El agua de alimentación se entrega a la caldera superior y una vez conseguido el nivel normal de ésta, rebalsa por el tubo vertical interior a la cámara de agua de la cámara inferior.

Calderas de Pequeño Volumen de Agua AcuotubularesLas calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.

Pirotubulares. La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características.El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión

Calderas horizontalesLas calderas de vapor pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y con presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2. Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación. Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan nuestros proveedores en su propio material, conforman un Expediente de Control de Calidad. De esta forma se cumple lo indicado en el Código de Construcción, así como en todas las normas oficiales en vigor, tanto nacionales como de la Unión Europea.

Controles iníciales

Primero que todo hay tres factores importantes para controlar inicialmente en una caldera y asegurar así su buen funcionamiento. Estos son:

• Control inicial del nivel del agua• Control incial de la presión • Operación del caldero

Calderas de la antiguedadLa máquina de vapor fue el primer dispositivo mediante el cual se pudo transformar el calor en energía mecánica con resultados satisfactorios. La energía procedente de la combustión del carbón, del petróleo, o de otro combustible, transmitida al agua contenida en una caldera puede producir apor a alta presión, cuya energía se transforma arcialmente en energía mecánica y es capaz de accionar una maquinaria o un generador eléctrico.

Control de las primeras maquinas

De las calderas antiguas no hay mucha informacion del funcionamiento pero si se podia ver que Antiguamente el control de presion por ejemplo se hacia naturalmente:

Las primeras máquinas de vapor fueron llamadas con bastante frecuencia máquinas atmosféricas, puesto que era la presión de la atmósfera la que proporcionaba la fuente motriz, luego asi con un operario y manometros se controlaba la presion , como un ejemplo de lo tedioso que era el control antiguamente.

CALDERAS EN LA ACTUALIDAD

MISMO PRINCIPIO FISICO (Dar energía térmica, para cambiar el estado del H2O de liquido a vapor saturado)

Se agrega la automatización; principalmente para la seguridad del

proceso

PROBLEMAS A CONTROLAR

Control de presión en la caldera

Control de la cantidad de agua que entra a la

misma

Problemas si no hay control Problemas si no hay control

Explosión de la caldera

El nivel del H2O es menor que la de los tubos y los

tubos se queman (acua/piro --tubulares)

Controles necesarios en las calderas de vapor.

Secuencia de encendidoNivel de agua de alimentaciónControl de la llama.Control de la presión.Temperatura del combustible.Temperatura de los gases de salida.Total de sólidos disueltos

Secuencia de encendido• Es el orden de operaciones que debe realizar la

caldera para su encendido.• El equipo llamado programador es el encargado

de establecer la secuencia y los tiempos de trabajo.

• Se incrementa el uso de autómatas programables

Nivel de agua de alimentación

• Este control mantiene el nivel de agua por encima de los tubos fluxes.

• Para una mayor seguridad las calderas están provistas de las siguientes indicaciones y protecciones.

Nivel normal de trabajo. Bajo nivel. Extra bajo nivel

Instrumentos para controlar el nivel

• Control vertical usando flotante, uno muy conocido (MOBREY).

• Medidor capacitivo.• Medidor ultrasónico.

Control de la llama• La fotocelda es la encargada de chequear que

la llama este presente, si detecta un fallo desconecta la caldera, indicando mediante una señal de alarma lo ocurrido.

Esto evita que se acumule en el hogar de la caldera combustible ,pudiendo provocar explosiones peligrosas en su interior.

Control de la presión

• Se empleán los presostatos de ajuste fijo.• Los presostatos de modulación.• Transmisores de presión.

Usos del presostato

• presostato:• El presostato también es conocido

como interruptor de presión.• Es un aparato que cierra o abre un

circuito eléctrico dependiendo de la lectura de presión de un fluido .

Presostato para la seguridad

• Si la presión llega a la que ha sido ajustada en el presostato, la caldera se para provocando una señal de alarma.

Presostato para el arranque y parada

• Se fijan los valores de presión mínimo y máximo de trabajo de la caldera para su normal funcionamiento.

Presostato para alto fuego

• En las calderas de dos pasos, es el encargado de conectar la segunda llama para incrementar el fuego, dependiendo de la presión a la cual ha sido ajustado.

Presostato de modulación

• La salida continua de este presostato es conectada al modulador ,el cual se encarga de establecer la correcta relación aire -combustible, para mantener la presión en los valores prefijados.

Temperatura del combustible

• El termostato es el encargado de que la caldera no comience su funcionamiento hasta que el combustible no halla alcanzado la temperatura necesaria para establecer una correcta atomización.

• Utilizado en las calderas de fuel oíl.

Temperatura de salida de los gases

• Se puede observar la temperatura de los gases mediante el termómetro que debe conectarse en la chimenea.

• Esto indica la eficiencia de la caldera, cuando la temperatura de los gases es muy alta es una manifestación de que la caldera esta sucia o incrustada.

Total de sólidos disueltos• El objetivo de su control es evitar el arrastre de

sustancias sólidas y formación de espumas.• El control se realiza mediante un sensor de

conductividad que determina cuando debe actuar la válvula que esta conectada en la tubería de extracción de superficie.

• También se extraen los sólidos mediante una purga de fondo a la caldera, que puede ser manual o automática.

Automatización convencional

Extractor

Al Sistema

ts

Aire

Aspirador

Fuel Bomba Alim.

n

Agua

C niv

C tsd

temp

p

Con autómata

Extractor

Al Sistema

ts

Aire

Aspirador

Fuel Bomba Alim.

n

Agua

p