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Página | 1 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA EN MECÁNICA ELABORACIÓN DE UN MANUAL DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO, PREDICTIVO Y DE OPERACIÓN PARA UNA CALDERA PIROTUBULAR DE 10 BHP PARA LA EMPRESA CALDERAS Y AUTOMÁTICOS. Alejandro Camargo Sánchez 20072074012 [email protected] Leonardo Caro Garzón 20072074016 [email protected] RESUMEN. Este trabajo consiste en el proceso de elaboración de un manual de operación, mantenimiento preventivo y predictivo para una caldera pirotubular de10 BHP para la Empresa Calderas y Automáticos. El manual de operación de la caldera incluye el diagrama de flujo de operación, los elementos constitutivos y las condiciones de funcionamiento, también se encuentran aspectos relevantes como: El correcto manejo, uso y operación de la caldera, puesta en servicio, rutinas de inspección, limpieza y mantenimiento, de igual manera, se establecen parámetros de seguridad siguiendo los criterios de la legislación nacional o internacional que aplique. PALABRAS CLAVE: Caldera, pirotubular, mantenimiento preventivo, mantenimiento predictivo, dispositivos, inspección, rutina, parámetros. ABSTRACT. This job consists in the elaboration process of a manual of operation, preventive and predictive maintenance

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE

CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA EN

MECÁNICA

ELABORACIÓN DE UN MANUAL DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO,

PREDICTIVO Y DE OPERACIÓN PARA UNA CALDERA PIROTUBULAR

DE 10 BHP PARA LA EMPRESA CALDERAS Y AUTOMÁTICOS.

Alejandro Camargo Sánchez 20072074012 [email protected]

Leonardo Caro Garzón 20072074016 [email protected]

RESUMEN.

Este trabajo consiste en el proceso de

elaboración de un manual de operación,

mantenimiento preventivo y predictivo

para una caldera pirotubular de10 BHP

para la Empresa Calderas y

Automáticos. El manual de operación

de la caldera incluye el diagrama de

flujo de operación, los elementos

constitutivos y las condiciones de

funcionamiento, también se encuentran

aspectos relevantes como: El correcto

manejo, uso y operación de la caldera,

puesta en servicio, rutinas de

inspección, limpieza y mantenimiento,

de igual manera, se establecen

parámetros de seguridad siguiendo los

criterios de la legislación nacional o

internacional que aplique.

PALABRAS CLAVE:

Caldera, pirotubular, mantenimiento

preventivo, mantenimiento predictivo,

dispositivos, inspección, rutina,

parámetros.

ABSTRACT.

This job consists in the elaboration

process of a manual of operation,

preventive and predictive maintenance

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for a boiler firetube 10 BPH for

Calderas y Automáticos Company. The

operation manual of the boiler includes

flowchart of operation, the constituent

elements and operating conditions, you

will find relevant aspects such as: the

proper handling, use and operation of

the boiler, commissioning, inspection,

cleaning and maintenance routines, in

the same way, establish security

parameters according to the criteria of

national or international law.

KEYWORDS:

Boiler, firetube, preventive

maintenance, predictive maintenance,

devices, inspection, routine,

parameters.

1. INTRODUCCIÓN.

“Una caldera es un recipiente a presión

con la función de generar vapor de

agua, su diseño es concebido de forma

que se realice un intercambio de

energía, causado por la combustión de

gases u otros combustibles, el agua

absorbe el calor que se genera en la

combustión, produciendo vapor a

elevada presión y temperatura.” [3]

Existen diferentes formas de clasificar

las calderas. Según la potencia y

capacidad de producción de vapor

pueden ser; categoría I: Calderas con

potencia menor de 50 kW, categoría II:

Calderas con potencia mayor de 50 kW

y menor o igual a 1000 kW, categoría

III: Calderas con potencia mayor de

1000 kW y menor o igual a 3000 kW y

categoría IV: Calderas con potencia

mayor a 3000 kW.

Según la posición relativa de sus tubos

pueden ser; Pirotubulares (verticales,

horizontales), Acuotubulares, mixtas

(Pirotubular y Acuotubular).

En las calderas pirotubulares el gas de

combustión circula dentro de los tubos

con presiones de operación de 0 a 300

psig y el agua circula por fuera, éstas

calderas se fabrican en capacidades que

van desde 1 BHP hasta 900 BHP, con

presión común de operaciones de 150

psi y 250 psi. Con opción de cámara

posterior seca o húmeda y de uno hasta

cuatro pasos. Su presentación puede ser

en forma vertical u horizontal.

La máxima producción de vapor que se

puede conseguir con una caldera

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pirotubular es del orden de 30.000 lb/h

y solo produce vapor saturado, son

calderas de bajo costo porque su

fabricación es sencilla.

Para operar y mantener una caldera de

forma adecuada, se debe contar con la

información y capacitación necesaria,

que permita prever cualquier incidente

que pueda poner en riesgo la seguridad

de los trabajadores que operan este tipo

de máquinas o dispositivos de presión.

En la Empresa Calderas y Automáticos

se fabrican calderas pirotubulares desde

hace más de 20 años, entre las calderas

que ofrece esta la de 10 BHP de dos

pasos, para empresas dedicadas a la

producción de derivados lácteos.

En la actualidad, la empresa no cuenta

con un manual de mantenimiento

preventivo y predictivo para este tipo de

calderas, que son las de mayor demanda, se

observa que es necesario elaborarlo, para

brindar mayor confiabilidad y satisfacción

en el requerimiento de los clientes.

Es este sentido es importante para la

empresa, contar con un programa de

mantenimiento y un plan de rutinas de

inspección, identificar las posibles

fallas que puede presentar el equipo al

estar expuesto a las condiciones de

trabajo para las cuales fue diseñado, así

se podrá manipular, monitorear y

controlar con la seguridad que se

requiere.

El proyecto nace para abordar estas

necesidades, generar planes y rutinas de

mantenimiento y proponer un método

de seguimiento al sistema de control y

de seguridad, dentro del mantenimiento

predictivo.

Para hacer el manual requerido, se tiene

en cuenta que el mantenimiento

preventivo es de carácter continuo y

propende por la optimización de los

procesos productivos, además de

contribuir a la reducción de paradas de

máquina por fallas y mejorar la

producción con la máxima vida útil del

equipo.

En el caso del predictivo el enfoque está

dado hacia la sugerencia de monitoreo

de sistemas de control para determinar

fallas prematuras.

Finalmente, se debe atender a las

recomendaciones del fabricante tanto

para la operación del equipo como para

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el mantenimiento preventivo y

predictivo sugeridos, además tener en

cuenta las indicaciones realizadas por

los fabricantes de los dispositivos

auxiliares que hacen parte integral del

sistema, esto en función del tipo de

instalación, la aplicación que se tenga y

la zona geográfica en donde opere.

2. OPERACIÓN DE LA

CALDERA

La caldera inicia su operación apoyada

en los sistemas eléctrico, hidráulico y

de combustión; estos permiten su

funcionamiento para la generación de

vapor, a través de la transformación de

energía.

En su primera fase se realiza la

combustión interna dentro de los tubos

de fuego que transfieren calor al

sistema; por el calentamiento del agua

se obtiene el vapor como producto

final, y las pérdidas del sistema se

traducen en condensados y emisiones.

El monitoreo del equipo se efectúa por

medio de los sistemas de control, que

dan cuenta de las condiciones internas

del proceso que se lleva a cabo en el

cuerpo de presión.

En la figura 1, se observa el flujo

enunciado.

Figura 1. Flujo de operación

Fuente: Elaboración propia

2.1 Elementos constitutivos de

una caldera

La caldera pirotubular e 10 BHP está

compuesta por un cuerpo en acero

fuertemente aislado con una compuerta

de inspección de apertura a derecha o

izquierda, un visor de llama integrado

en la puerta, anillos de elevación, un

haz de tubería, turbuladores para tubos

de humos en acero especial,

aislamientos entre el cabezal del

quemador y la puerta, una brida

mecanizada para el quemador

correspondiente, registros de

inspección, válvulas para purga de

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condensados, una válvula de seguridad

y una válvula de asiento para vaciado

de la caldera, el conjunto se observa en

la figura 2.

Figura 2. Componentes de la caldera

Fuente: Elaboración propia

El sistema de alimentación de agua

permite el llenado del cuerpo de presión

desde el tanque de agua de condensados

y está compuesto por la motobomba

centrífuga, una válvula de esfera, una

válvulas de cheque, un manómetro de

caratula, tuberías y accesorios. Cuenta

con el sistema de purga y tapas de

inspección para permitir las rutinas de

mantenimiento.

Figura 3. Sistema de control de nivel

Fuente: Elaboración propia

El sistema de control de nivel y

seguridad, permite el monitoreo para

garantizar el buen funcionamiento de la

maquina accionando la bomba o

deteniendo el sistema en caso de bajo

nivel de agua, el sistema incluye un

control de nivel de agua, control de

presión de vapor, control de

temperatura de agua, un indicador de

nivel de agua, válvulas de aislamiento

de indicadores de nivel, sonda

termostática, presóstato de seguridad

por alta presión, válvula de asiento para

toma de vapor, manómetro de esfera y

comprobación de manómetro y válvula

de seguridad. Sistema observado en la

figura 4.

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Figura 4. Instrumentos de medición

Fuente: Elaboración propia

El sistema eléctrico de potencia, se

encarga del suministro de energía a la

caldera y la protección de los sistemas

constitutivos de la caldera por medio de

reguladores, interruptor general,

contactor, térmico y fusibles de bombas

y de quemador, sistema de control bajo

nivel, totalizador, alarmas, interruptor

de bajo nivel de agua, tablero eléctrico

de control, testigo o led de encendido.

Figura 5. Sistema eléctrico

Fuente: Elaboración propia

El sistema de control de combustión

consta de dispositivos automáticos

destinados a mantener la presión de

vapor deseada y la proporción correcta

entre el combustible y el aire al variar

la carga. Los controles automáticos

accionan los motores, los cuales,

regulan simultáneamente la

alimentación del combustible y del aire,

como respuesta a las variaciones de

demanda de vapor. Y está compuesto

por; el control de suministro de

combustible y aire, control de

combustión, programación del

encendido y seguridad de llama,

válvulas de cierre rápido para corte de

combustible.

El propósito principal del quemador es

mezclar y dirigir el flujo de

combustible y aire, garantizando la

combustión completa. Los

atomizadores que utilizan la presión del

combustible, son de tipo mecánico de

flujo único o de flujo de retorno.

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Figura 6. Sistema de combustión

Fuente: Elaboración propia

El aire para combustión, o “aire

secundario”, es suministrado por un

soplador. Durante la operación, la

presión de aire aumenta en la cabeza de

la caldera y este es forzado por el disco

difusor para mezclarse completamente

con el combustible y efectuar una

buena combustión, mediante la mejor

proporción aire combustible.

El abastecimiento de aire secundario se

gobierna por medio de la regulación

automática de la entrega del ventilador

al quemador, por la modulación del

registro rotatorio del aire.

Equipos de tratamiento de agua. En las

plantas que tienen un alto consumo de

agua de alimentación, se instalan

equipos de tratamiento de agua, para

desmineralizarla y desoxidarla antes de

su inyección a la caldera. La

precipitación de sales sobre las

superficies sujetas a calefacción del

lado en contacto con el agua, ocasiona

averías en la caldera; se presenta

exposición de arrastre de sílice por el

vapor. El control y la utilización de

químicos deben ser abalados por un

experto, de acuerdo a las condiciones

del agua suministrada.

La red de distribución de vapor, es el

conjunto de elementos que unen el

generador de vapor a los equipos que

utilizan vapor para su funcionamiento y

consta de los siguientes elementos: Red

de tuberías principales y secundarias,

distribución general, soportes, anclajes,

abrazaderas, juntas, aislamientos

térmicos, válvulas reductoras de

presión, válvulas de seguridad, sistema

de trampas para evacuación de

condensados, red de retorno de

condensados y purgadores de aire de las

redes.

3. DESARROLLO DEL

MANUAL DE

OPERACIÓN DE UNA

CALDERA

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PIROTUBULAR DE

10 BHP

En la elaboración del manual se

establecen criterios técnicos que se

obtuvieron, por medio de una

recopilación de información teórica en

bibliotecas virtuales, bases de datos,

internet, entre otras. Y otra parte de la

información se extrae de la práctica que

se tiene por medio del contacto físico

con las calderas en la empresa Calderas

y Automáticos y el personal que allí

labora.

Para la puesta en marcha de la caldera

pirotubular de 10 BHP de la empresa

Calderas y Automáticos se debe

disponer del manual de operación,

(Anexo 1) y personal que cuente con las

competencias técnicas requeridas para

interpretarlo y darle cumplimiento.

Tener registros de operación diarios por

cada equipo, permite monitorear el

funcionamiento de la caldera, a través

del seguimiento de: La temperatura de

suministro de agua, el nivel de agua, los

parámetros químicos del agua de

alimentación, temperatura y presión de

salida de vapor principal, presión de

entrada del combustible, operatividad y

presión de la bomba de alimentación de

agua y temperatura de salida de los

gases de la caldera hacia la chimenea.

Como se muestra en el diagrama de

flujo de la figura 7 en revisión de

parámetros del equipo, es importante

conocer los procedimientos de inicio y

parada de la caldera y los parámetros de

operación que brinden la confiabilidad

y seguridad requerida.

Figura 7. Diagrama de flujo de la

operación

Fuente: Elaboración propia

3.1 Condiciones de

funcionamiento de las

calderas

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En la instalación de la caldera se debe

garantizar unas condiciones para su

adecuado funcionamiento y seguridad.

Se recomienda que las calderas estén

dentro de un cuarto a una distancia

mínima de 1 metro a cualquier pared de

forma tal que no se presenten

restricciones para trabajos de

mantenimiento, incluyendo la

operación de los sistemas de limpieza y

deshollinado, purgas y uso de equipos

auxiliares, cuando se requieran.

La altura de los techos no debe ser

superior a 3m sobre el nivel del suelo y

debe sobrepasar mínimo en 1m, la cota

del punto más alto entre las válvulas o

accesorios más altos y al menos a 2m

sobre las plataformas de la caldera sí

disponen de ella.

Verificar que el cuarto de la caldera este

totalmente libre de polvo, gases y

vapores inflamables y tenga una

ventilación permanente, con suministro

continuo de aire para su renovación

como para combustión.

Utilizar los equipos y elementos de

protección personal adecuados para

reducir los riesgos reales o potenciales

existentes en el cuarto de calderas.

Conocer el sistema operativo de los

quemadores, la secuencia de encendido

y apagado de la caldera, con operación

manual o automática.

Verificar el funcionamiento de todos

los dispositivos de control y seguridad

requeridos para la operación de la

caldera, el sistema de alimentación de

agua, válvula de seguridad, purgas del

control de nivel y fondo de la caldera.

Comprobar el adecuado

funcionamiento de los dispositivos de

monitoreo y de la caldera como: el

control de nivel, las columnas de agua

en los tambores de vapor, controles de

presión, conexiones a los manómetros

de presión.

Drenar conexiones para verificar que

no estén taponadas de lodos o

sedimentos para su correcto

funcionamiento.

Seleccionar el tamaño adecuado de la

caldera según los requerimientos de

vapor, para evitar ciclos cortos de

operación en calderas sobre

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dimensionadas, lo cual disminuye la

eficiencia del sistema.

Aislar térmicamente cualquier

superficie externa con temperatura

superior a 48ºC.

Operar la caldera de tal forma que se

asegure la óptima combustión, limpiar

periódica las superficies de

transferencia de calor, especialmente en

donde se pueda acumular residuos de

calcio, magnesio o silicatos que forman

superficies no conductoras.

Hacer retorno de condensados a la

caldera en la medida que sea posible,

esto disminuye los aportes de agua

tratada y menos vertimientos.

Hacer uso de economizadores de agua

de alimentación.

Hacer recuperación de vapor o

condensado para regenerar vapor de

baja presión para uso en otros procesos.

Hacer uso de vapor o condensados en

enfriadores o refrigeradores de

absorción.

Recuperar excedentes de calor antes de

entrar a la chimenea, los humos de la

caldera deben entrar a menos de 37.7ºC.

[6]

3.2 Parámetros a controlar en

una caldera

Para tener seguridad de que una caldera

tratada químicamente esta en óptimas

condiciones, un análisis del agua de

purga debe estar dentro de siguientes

parámetros:

PH 10.5 - 11.5.

Dureza Total (CaCO3) 0 - 5 ppm,

Alcalinidad P (CaCO3) 140 a 500 ppm

máximo.

Alcalinidad M (CaCO3) 250 a 1000

ppm máximo.

Sulfitos (Na2SO2) 30 - 50 ppm,

Fosfatos (PO4) 40 - 70 ppm.

Sólidos Totales Disueltos 2500 - 3000

ppm, Cloruros (Cl ) 6 ciclos máximo*

* Los ciclos de concentración se

determinan relacionando el contenido

de cloruros en el agua de alimentación

con los cloruros en el agua de purga, de

acuerdo con la siguiente fórmula.

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No. De ciclos de concentración (6

max) = cloruros en agua de purga

cloruros en alimentación. [11]

4. DESARROLLO DEL

MANUAL DE

MANTENIMIENTO

PREVENTIVO

En la elaboración del manual de

mantenimiento preventivo (Anexo 2) se

establece un programa que contempla

actividades definidas en el diagrama de

flujo de la figura 8.

Figura 8. Diagrama de mantenimiento

preventivo

Fuente: Elaboración propia

Dentro de las actividades a incorporar

en el manual se encuentran las

siguientes:

Revisión de la condición del quemador

y placas tubulares.

Lubricación de bombas, motores

eléctricos, verificación de parámetros

eléctricos, ruidos y vibraciones.

Control de la bomba de alimentación,

con registros de temperatura de agua de

alimentación, revisar el nivel de agua

en la caldera y tanque de agua de

alimentación, verificar dosificación y

control del tratamiento del agua.

Medición y registro de los parámetros

del agua de alimentación y caldera,

comparar con los valores de referencia

establecidos y tomar los correctivos que

apliquen.

Controles de seguridad de encendido

hacer inspección del control de bomba

de agua de suministro, arrancadores y

contactos eléctricos, control de gas y

verificación de alarmas.

Control del programador: Inspección

del ajuste del gas y dámper para realizar

una adecuada mezcla aire-gas para

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mejorar la flama, control de consumo

de gas, filtro del gas, conjunto

quemador y sistema de atomización del

gas.

Controles del quemador: verificar

limpieza en boquilla del quemador,

electrodo de encendido. Lubricación

adecuada de motores y rodamientos,

verificar instalación adecuada de

controles de presión y temperatura de

vapor.

Lectura de manómetros verificar

rangos adecuados de presión, lectura de

temperatura dada por el termómetro,

verificación de presión y temperatura

de salida de vapor de la caldera.

Detectar fugas o inadecuado

funcionamiento de las válvulas de

seguridad.

Tanques auxiliares: Verificar estado del

tanque condensado y el tanque de

suavizador en caso de tenerlo.

La ausencia de un adecuado programa

de mantenimiento preventivo en las

calderas puede derivar en problemas y

deterioro general del equipo. Dentro de

las situaciones que generan problemas

típicos en las calderas, que reducen su

rendimiento y eficiencia y son

causantes de los mantenimientos

correctivos se tienen:

Las incrustaciones en la tubería y

paredes metálicas, además, reducen la

transferencia de calor y aumentan el

consumo de combustible.

La corrosión producida por niveles de

Ph del agua por debajo de 11.5, genera

depósitos aislantes en la tubería,

haciendo delgado el espesor de las

paredes de las partes metálicas.

La oxidación, por la presencia del

oxígeno en el agua.

La formación de lodos, debido a altos

contenidos de solidos totales disueltos

que se precipitan causando obstrucción

en la tubería.

La formación de espuma por el alto

contenido de bicarbonatos, carbonatos

e hidróxidos.

Estos y otros problemas se deben evitar

a través de los mantenimientos

programados.

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5. DESARROLLO DEL

MANUAL DE

MANTENIMIENTO

PREDICTIVO

La propuesta definida para la

elaboración del manual de

mantenimiento predictivo, plantea el

monitoreo y control de sistemas

constitutivos de la caldera a través de

mediciones de señales automáticas que

se reciben en una terminal PC, con el

uso de sensores que tendrán la función

de medir presión, temperatura,

emisiones y nivel de agua.

La finalidad es tener un registro

confiable que permita generar una base

de datos para el análisis de parámetros

de funcionamiento de la caldera y tomar

decisiones con miras a la optimización

de los recursos y la eficiencia

energética.

Además, es importante tener en cuenta

que para que una caldera, pueda entrar

en operación, debe contar con el

dictamen de conformidad expedido por

un organismo de inspección acreditado

por ONAC, previa realización y

aprobación de todas las pruebas y

ensayos requeridos. [6]

Es por esto que es de gran importancia

hacer monitoreo de parámetros y

garantizar la funcionalidad del equipo

no solo en su instalación sino también a

lo largo de su vida útil, por lo que se

recomienda hacer seguimiento a las

actividades mencionadas en el

diagrama de flujo de la figura 9.

A continuación se listan algunos de

estos requerimientos, que cumplen

actividades contempladas dentro del

mantenimiento predictivo:

Tener en cuenta en la definición de

parámetros medibles, el cumplimiento

de la normatividad ambiental vigente,

en lo relativo a emisiones atmosféricas,

ruido, residuos sólidos y vertimientos.

Otro aspecto es la presión, para esto se

debe contar con un certificado de

calidad de tuberías, válvulas y

materiales utilizados en las partes de

presión, reportado por el fabricante.

Es recomendable partir de un

certificado de prueba de control de

calidad de la caldera. (Prueba

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hidrostática, alivio térmico y análisis

radiográficos, según código ASME o

equivalente); para garantizar una

adecuada operación.

Tener en cuenta los datos de capacidad

nominal de generación de vapor en

kg/h, superficie de calentamiento m2,

presión de diseño en kPa, tipo de

combustible empleado y especificación

del uso de la caldera. [6]

Figura 9. Diagrama de flujo del

manual de mantenimiento predictivo

Fuente: elaboración propia

Es de gran importancia dentro del

mantenimiento predictivo incorporar

técnicas que permiten mayor control de

las condiciones de operación de las

caderas, a nivel industrial se utilizan

diversidad de métodos de análisis, a

continuación se menciona algunos:

termografía, boroscopia, prueba de

emisiones, prueba de control de niveles,

entre otras. La técnica más apropiada

será la que se ajuste a los parámetros a

medir y controlar en cada caso.

6. CONCLUSIONES.

Con la implementación de rutinas, y

planes de mantenimiento preventivo y

predictivo en las calderas se logran

resultados relevantes que redundan en

su adecuado funcionamiento, eficiencia

y mayor seguridad en la operación.

Se elaboran los manuales de

mantenimiento y operación bajo los

estándares de seguridad y los

lineamientos de la empresa Calderas y

Automáticos.

Se establecen por parte de los

ejecutores del proyecto, criterio

técnicos y mayor conocimiento teórico

practico de las calderas de 10 BHP

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fabricadas en la empresa calderas y

automáticos.

Se socializa los manuales con el gerente

de la empresa Calderas y Automáticos

para darnos parte de satisfacción de

acuerdo a sus expectativas.

El control riguroso de la normatividad

aplicable a calderas hace posible la

generación de estándares de calidad que

permitan la fabricación de equipos y

operaciones confiables para las

aplicaciones requeridas.

Hay un mínimo de pruebas requerido

para que una caldera pueda entrar en

funcionamiento y que sea apta para la

operación normal según su aplicación,

estas dependen del fabricante del

equipo. En adelante y bajo el adecuado

mantenimiento de los sistemas que

conforman la caldera y del agua de

alimentación, es responsabilidad del

dueño tener controles que permitan su

regular mantenimiento y que

propendan por la detección temprana de

fallos que se pueden predecir mediante

equipos especiales para tal fin.

BIBLIOGRAFIA

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