Descripción: Interesante libro sobre el mantenimiento de generadores de vapor cuyo autor es Manuel Saenz...
nual práctico del
ERA DOR oE CA LDER DU STR I A LES M.8 Rosario Patiño Molina
manualpráctico del operador de calderas industriales
manualpráctic o deloperador de calderas industriales Manuel Sanz del Amo M.ª Rosario Patiño Malina
Ediciones Paraninfo
Paraninfo Manual práctico del operador de calderas industriales © Manuel Sanz del Amo y M.ª Rosario Patiño Molina
Gerente Editorial Marra José López Raso Equipo Técnico Editorial Alicia Cerviño González Paola Paz Otero Editora de Adquisiciones Carmen Lara Carmena Producción Nacho Cabal
Reservados los derechos para todos los países de lengua española. De conformidad con lo dispuesto en el artículo 270 del Código Penal vigente, podrán ser casti gados con penas de multa y privación de libertad quienes reprodujeren o plagiaren, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica fijada en cualquier tipo de soporte sin la precep tiva autorización. Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la cubierta, puede ser reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea este electrónico, químico,
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cualquier otro, sin la previa autorización escrita por parte de la Editorial.
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Impreso en España / Printed in Spain Cimapress
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PRÓLOG O ..................................................................................................
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1 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 6 6 7 11 11 11 12 12 13 13 17 17 19 21 23
CO N C EPTOS BÁSICOS .................................................................... 1.1. Unidades de medida ................................................................................ 1.1.1. Tipos de magnitudes de medida ................................................. 1.1.2. Unidades de longitud, superficie y volumen ............................... 1.2. Unidades de masa, densidad y volumen específico ............................... 1.2.1. Masa ............................................................................................ 1.2.2. Densidad ..................................................................................... 1.2.3. Volumen específico ..................................................................... 1.3. Unidades de velocidad y aceleración ..................................................... 1.4. Unidades de fuerza ................................................................................. 1.5. Unidades de presión ............................................................................... 1.6. Presión atmosférica ................................................................................ 1.6.1. Experimento de Torricelli ............................................................. 1.7. Temperatura, medida y unidades ........................................................... 1.8. Caudal, unidades ..................................................................................... 1.9. Energía, unidades ................................................................................... 1.10. Potencia, unidades .................................................................................. 1.11. Calor,entalpía, calor específico, unidades ............................................. 1.11.1. Entalpía y calor .......................................................................... 1.11.2. Calor específico ......................................................................... 1.12. Cambios de estado: vaporización y condensación ................................. 1.13. Transmisión de calor: radiación, convección y conducción .................... 1.13.1. Transmisión de calor por conducción ........................................ 1.13.2. Transmisión de calor por convección ........................................ 1.13.3. Transmisión de calor por radiación ........................................... 1.14. Vapor de agua: saturado, sobrecalentado, recalentado y expansionado. ....
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Tndice
1.15. Volumen específico del vapor de agua ................................................... 1.16. Calor específico ....................................................................................... 1.17. Relación entre la presión y la temperatura de vapor ............................ 1.18. Tablas de transformaciones de unidades y tablas de vapor de agua ....................................................................................................
2. G E N ERALIDAD ES SOBR E LAS CALD ERAS ................................ .. 2.1. Definiciones ............................................................................................. 2.2. Conceptos exigibles ................................................................................ 2.2.1. Obligaciones de los usuarios ....................................................... 2.2.2. Obligaciones de las empresas instaladoras y reparadoras ....... 2.2.3. Condiciones exigibles al fabricante ............................................. 2.2.4. Condiciones exigibles a la caldera .............................................. 2.2.5. Condiciones exigibles a los operadores ...................................... 2.3. Elementos que incorporan las calderas ................................................. 2.4. Requisitos de seguridad ......................................................................... 2.5. Tipos y partes principales de una caldera .............................................. 2.6. Superficies de calefacción: superficie de radiación y de convección .... 2.7. Transmisión de calor en calderas ........................................................... 2.8. Tipos de calderas según su disposición ................................................. 2.9. Tipos de calderas según su circulación .................................................. 2.10. Tipos de calderas según sus características principales ...................... 2.11. Obtención del carné de operadores industriales de calderas ...............
3.
CO M BUSTIÓ N .................................................................................. . 3.1. Combustión: definiciones, gases formados ........................................... 3.2. Analizadores de gases de combustión ................................................... 3.2.1. Medición del C02 , 02 y opacidad .................................................. 3.2.2. Medición del CO ........................................................................... 3.3. Tiro natural y tiro forzado ....................................................................... 3.3.1. Tiro natural ................................................................................... 3.3.2. Tiro forzado ..................................................................................
3.4. Tipos de hogar es ....... .............. .............. .............. .............. .............. ........
manual práctico del operador de calderas industriales 3.4.1. Hogares en sobrepresión ............................................................ 3.4.2. Hogares en depresión ................................................................. 3.4.3. Hogares equilibrados .................................................................. 3.5. Quemadores: ideas generales ................................................................ 3.6. Control de la combustión: tipos de control ............................................ 3.6.1. Rendimiento de la combustión .................................................... 3.6.2. Quemadores y su control .............................................................
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25 26 27 28 35 38 38 38 41 41 42 42 43 44 48 51 51 53 53 53 55 59 60 62 62 64 65 65 65 66 66 66 66 66 67 67 71
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3.7. Chimeneas..............................................................................................................72 3.8. Tablas de parámetros de la combustión completa del gas natural................73 4.
DISPOSICIONES GENERALES CONSTRUCTIVAS EN CALDERAS PIROTUBULARES .................................................. 79 4.1. Definición y principio de funcionamiento....................................................... 80 4.2. Partes de una caldera pirotubular................................................................. 81
S.
DISPOSICIONES GENERALES CONSTRUCTIVAS EN CALDERAS ACUOTUBULARES ................................................. 87 5.1. Calderas acuotubulares................................................................................. 88 5.1.1. Principio de funcionamiento............................................................... 88 5.1.2. Parámetros de funcionamiento y características generales de trabajo............................................................................................88 5.1.3.Partes de una caldera acuotubular.................................................... 89 5.2. Calderas verticales. Tubos Field. Tubos pantalla parallamas.......................98 5.3. Calderas de vaporización instantánea. Serpentines. Separadores de vapor.........................................................................................................99 5.4. Calderas de agua caliente y sobrecalentada...............................................100 5.5. Calderas de fluido térmico...........................................................................101
6. ACCESORIOS Y ELEMENTOS ADICIONALES PARA CALDERAS...........................................................................................................103 6.1. Concepto..................................................................................................................... 104 6.2. Válvulas de paso o interrupción: asiento y compuerta................................104 6.3. Válvulas de retención: de asiento, de clapeta y de disco..................... 106 6.4. Válvulas de seguridad................................................................................. 107 6.4.1. Norma UNE 9-100-86. Válvulas de seguridad de calderas de vapor............................................................................................107 6.5. Válvulas de descarga rápida....................................................................... 114 6.6. Válvulas de purga continua......................................................................... 115 6.7. Indicadores de nivel: grifos y columnas ...........................................116 6.8. Controles de nivel por flotador y por electrodos................................... 117 6.9. Limitadores de nivel termostáticos..............................................................121 6.10...............................................................................................Bomba s de agua de alimentación....................................................................... 122 6.11...............................................................................................Inyect ores de agua ............................................................................. 123 6.13.2. Termómetros.................................................................126
VII
6.12..................................................................................................Cabal letes y turbinas para agua de alimentación................................................. 123 6.13...............................................................................................Manóm etros y termómetros................................................................................. 124 6.13.1.Manómetros............................................................................................124
6.14. Presostatos y termostatos ..................................................................... 6.14.1. Presostatos ................................................................................ 6.14.2. Termostatos ............................................................................... 6.15. Quemadores ............................................................................................ 6.16. Elementos del equipo de combustión ..................................................... 6.16.1. Ventilador de aire primario y secundario .................................. 6.16.2. Sonda de control de llama ......................................................... 6.16.3. Programador .............................................................................. 6.16.4. Válvulas magnéticas, neumáticas y electroneumáticas ........... 6.16.5. Sistema de encendido ................................................................ 6.16.6. Disposiciones legales en relación con los elementos del equipo de combustión .......................................................... 6.17. Estación de regulación y medida para gas ............................................. 6.17.1. Generalidades ............................................................................ 6.17.2. Elementos constitutivos de una estación de regulación y medida .....................................................................................
7. TRATAMIENTO DE AG UA D E CALDERAS ...................................... . 7.1. Características del agua para calderas: dureza, pH, oxígeno, aceite, salinidad .................................................................................................. 7.2. Descalcificadores y desmineralizadores ................................................ 7.2.1. Descalcificadores ......................................................................... 7.2.2. Desmineralización total ............................................................... 7.3. Desgasificación térmica y por aditivos ................................................... 7.3.1. Desgasificación térmica ............................................................... 7.3.2. Desgasificación química .............................................................. 7.4. Regulación del pH ................................................................................... 7.5. Recuperación de condensados. Purgadores .......................................... 7.6. Régimen de purgas a realizar ................................................................. 7.7. Problemas provocados por un mal tratamiento del agua de caldera .... 7.7.1. Corrosión ...................................................................................... 7.7.2. ncrustaciones ............................................................................. 7.7.3. Arrastre de condensado ..............................................................
8. CON D U CCIÓ N DE CALD ERAS Y SU MANT ENIMI ENTO .. .............. . 8.1.Intr oducción .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... .......... .......... . 8.1.1. Maximi zar la producc ión de vapor ... ................ ................ ............. 8.1.2. Optimiz ar las pérdida s energét icas ...... ................ ................
........ 8.1.3. Otras operaciones ........................................................................
VIII
126 126 127 127 130 130 131 132 132 132 133 136 136 137
139 140 152 152 153 156 156 158 159 159 162 164 164 165 166
167 168 168 168 170
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Tndice
8.2.
Ma nte ni miento de los generadores de va po r................................170 8.2.1. Pri me ra p uesta en ma rcha....................................................170 8.2.2. Puesta en ma rcha dia ria ............................................................... 170 8.2.3. Pu rgas de la calde ra ..................................................................... 171 8.2.4. Apagado de caldera ...................................................................... 172 8.2.5. Ma nteni miento y conservació n..................................................... 172 8.2.6. Obse rvaciones generales ............................................................. 173 8.2.7. Ca racterísticas del agua de al i mentació n .................................... 173 8.2.8. Co ntacto con el servicio de asistencia técnica del fa brica nte de la calde ra ................................................................................. 173 8.3. Ma nte ni miento de las redes de va por y condensado............................174 8.3.1. Pu rgado res de va po r.............................................................174 8.3.2. Vál vulas......................................................................................... 175 8.3.3. Progra ma de ma nteni mie nto de agua .......................................... 175 8.3.4. Instru mentación............................................................................ 175 8.3.5. Aisla mie ntos.................................................................................. 175 8.3.6. Fugas en tu berías ......................................................................... 175 8.3.7. Presencia de ai re .......................................................................... 175 8.3.8. Arrastres de ag ua con va por ........................................................ 176 8.4. Ma nte ni miento de equ i pos de uti l i zació n: condensadores y cam biadores de calor........................................................................176 8.4.1.Progra ma de ahorro de energía.........................................176 8.5. Pri mera p uesta en ma rcha................................................................177 8.5.1. Preca ucio nes i niciales .................................................................. 177 8.5.2. Llenado.......................................................................................... 178 8.5.3. Cocción .......................................................................................... 178 8.6. Puesta en servicio.................................................................................... 179 8.6.1. Proceso de encendido del q uemador ........................................... 179 8.6.2. Cesión de va po r ............................................................................ 179 8.6.3. Ma nómetros.................................................................................. 179 8.6.4. Ni veles de ag ua............................................................................. 180 8.6.5. Vál vulas de segu ridad ................................................................... 180 8.6.6. Eq ui po de p u rga ............................................................................ 180 8.6.7. Espu mas........................................................................................ 180 8.6.8. Pu rgas de lodos ............................................................................ 180 8.7. Puesta f ue ra de servicio .......................................................................... 180 8.7.1. Pa rada ........................................................................................... 180 8.7.2. Vaciado.......................................................................................... 181 8.7.3. Li m pieza ........................................................................................ 181
IX
8.8. Causas q ue hacen au menta r o d ismi n ui r la presión.................................181 8.9. Va riaciones de nivel en la caldera..........................................................182 8.10..................................................................................................Comu nicació n o i ncom u nicación de u na caldera con otras..............................................182 8.11..................................................................................................Revisiones y l i m piezas periódicas........................................................................................183 8.12..................................................................................................Ma nte ni miento en pa ro prolongado.............................................................................183 8.12.1. Conservación h ú meda......................................................................184 8.12.2. Conservación seca.............................................................................184 8.13. Revisión de ave rías.................................................................................. 184 9. R EG LAM ENTO D E EQUIPOS A PR ESIÓ N.................................................187
9.1. Introd ucció n.........................................................................................................188 9.2. Clasificación de los eq ui pos a presió n: a rtícu lo 9 del RD 769/1999, de 7 de mayo.......................................................................................190 9.3. Regla mento de eq ui pos a presión. ITC EP-1 - Calderas.......................192 9.3.1.Regla mento de eq ui pos a presión (extracto ref erido solamente a calderas)....................................................................192 9.3.2.Instrucción técnica complementa ria ITC EP-1 - Ca lderas................198
BIBLIOG RAFÍA............................................................................................................. 217 E N LAC ES W EB D E INTER ÉS..........................................................................219
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La formación y la puesta al día de los conocimientos tecnológicos que son necesarios para mantener un alto grado de compromiso de todas las personas implicadas en proce sos industriales requiere un uso eficiente y seguro de la energía. Con esta finalidad, los autores han llevado a cabo una amplia labor de consulta biblio gráfica con aporte de una dilatada experiencia en la industria papelera y en la formación universitaria, para dar a esta obra un soporte práctico y al mismo tiempo científico, y que las personas a las que va dirigida tengan en el libro una herramienta que además de ser vir de guía en su proceso de aprendizaje sirva como libro de consulta en su tarea diaria. La motivación de los autores al escribir esta obra, está basada en la aparición del Reglamento de equipos a presión, que entró en vigor en 2008 y en las escasas obras publi cadas sobre el tema, que aun siendo de buena calidad, están algo desfasadas en el tiempo. Por todas estas razones, la obra Manual práctico del operador de calderas industria les es un excelente libro de aprendizaje y consulta para los operarios y supervisores de calderas de muchos procesos industriales. La obra sigue el programa oficial del Reglamento de equipos a presión ITC EP1 - Calderas, que se exige para la obtención del carné de operador y al mismo tiempo amplía conceptos relacionados con la operación (bombas, soplantes, válvulas, lazos de control, etc.), eficiencia energética y seguridad de uso de las instalaciones productoras de ener gía térmica. Los autores agradecen a las empresas Spirax Sarco, Babcock Wanson, Talleres Patri cio Ruiz, Baltogar (Brunnschweiler), Bacharach, Samson, KSB-ITUR, Hidro Water y Orbi nox, por la autorización para la inclusión de figuras, fotografías y consejos técnicos en el libro, que ilustran y facilitan la comprensión del contenido de la obra. Los autores, Manuel Sanz del Amo, doctor ngenieroIndustrial y director técnico de una fábrica de papel y M.ª del Rosario Patiño Molina, doctora en Ciencias Químicas y Ca tedrática de Química Orgánica de la Universidad de Valladolid, cuentan con una amplia experiencia profesional y acción formativa suficientes, que con su esfuerzo y dedicación han hecho posible este libro, de fácil comprensión y al mismo tiempo de gran rigor científico.
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•• Esta unidad tiene como objetivo, proporcionar los conocimientos teóricos básicos de física y termo dinámica, necesarios para que el operador de calderas entienda y desarrolle mejor su trabajo. Adquirir habilidad con los cambios de unidades, tener una idea clara de lo que son las magnitudes fundamentales y derivadas, así como los conceptos de presión, temperatura, potencia, energía y todo lo relacionado con la generación y transferencia de calor es imprescindible para el desarrollo adecuado de la conducción de una caldera industrial.
Contenidos 1.1.
Unidades de medida
1.2.
Unidades de masa, densidad y volumen específico
1.3. Unidades de velocidad y aceleración 1.4.
Unidades de fuerza
1.5.
Unidades de presión
1.6.
Presión atmosférica
1.7.Temperatura, medida y unidades 1.8.
Caudal, unidades
1.9.
Energía, unidades
1.10.
Potencia, unidades
1.11.
Calor,entalpía, calor específico, unidades
1.12.
Cambios de estado: vaporización y condensación
1.13.Transmisión de calor: radiación, convección y conducción 1.14. Vapor de agua: saturado, sobrecalentado, recalentado y expansionado 1.15. Volumen específico del vapor de agua 1.16. Calor específico 1.17. Relación entre la presión y la temperatura de vapor 1.18. Tablas de transformaciones de unidades y tablas de vapor de agua
manual práctico del operador de calderas industriales
1.1. UNIDADES DE MEDIDA Para la observación de un fenómeno físico o químico, por ejemplo, se requiere la defini ción de las magnitudes de medida, que faciliten su explicación y comprensión.
1.1.1. Tipos de magnitudes de medida Hay dos tipos de medidas, unas que se denominan fundamentales y otras que se definen partiendo de estas, denominadas derivadas.
Magnitudes fundamentales Son las que no derivan de otras y son únicas en su especie, son el cimiento de la física y no pueden ni multiplicarse ni dividirse entre otras. Por tanto, no se definen en función de otras magnitudes físicas, sino que sirven de base para obtener las demás magnitudes utilizadas en la física.
Magnitudes derivadas Son las que resultan de multiplicar o dividir entre sí las magnitudes fundamentales. Los sistemas de medidas son CGS, MKS (sistema internacional) y sistema técnico, cuyas magnitudes fundamentales y algunas derivadas se muestran en la Tabla 1.1. Tabla 1.1. Unidades de medida. Magnitudes
Sistemas de medida
Símbolos
Fundamentales
CGS
MKS
Técnico
Longitud
Centímetro
Metro
Metro
Masa
Gramos
Tiempo
Segundo
Segundo
Intensidad de corriente
-
Temperatura
CGS MKS
Técnico
cm
m
m
o o
kg
UTM
Segundo
s
s
s
Amperio
-
-
A
-
-
Kelvin
-
-
ºK
-
Cantidad de sustancia
-
Mol
-
-
mol
-
Intensidad luminosa
-
Candela
-
-
cd
-
Derivadas
CGS
MKS
Técnico
Fuerza
Dina
Newton
Kilopondio
Dyn
N
Kp o Kgf
Energía
Ergio
Julio
Kilográmetro
Er
J
Kgm
Er/ s
w
Kgm/ s
Potencia
2
Ergio Segundo
Kilogramo Unidad técnica de masa
Vatio
Kilográmetro Segundo
CGS MKS
Técnico
Conceptos básicos
Otras magnitudes derivadas muy empleadas son: Caballo de vapor (CV): 0,736 kW Kilovatio x hora (kW x h): 864 kcal
-
1111
Ejemplo 1.1.
Realizar el cambio de unidades del kW x h a kcal. 1 kW x h
= 1 kJ/s x 3.600 s x 0,24 kcal/kJ = 864
kcal
Los múltiplos y submúltiplos de estas unidades se usan para cantidades muy grandes o muy pequeñas; por ejemplo, el espesor del recubrimiento de cromo de un acero se mide en micrómetros (µm), la distancia entre dos ciudades se mide en kilómetros (km), el espesor de una chapa se mide en milímetros (mm), etc.
1.1.2. Unidades de longitud, superficie y volumen Las unidades de longitud, superficie y volumen son el metro (m), el metro cuadrado (m2) y el metro cúbico (m3), respectivamente, y son las mismas en el SistemaInternacional (MKS) y en el Sistema Técnico. En el sistema británico, la longitud es la pulgada (l"), que equivale a 25,4 mm y 12 pulgadas equivalen a 1pie (I'). Las unidades de superficie y volumen son (1")2 y (1")3, respectivamente.
1.2. UNIDADES DE MASA, DENSIDAD Y VOLUMEN ESPECÍFICO Las unidades de masa, densidad y volumen específico guardan una cierta relación entre sí, por lo que se hace imprescindible definirlas por separado para facilitar su compren sión y distinguir claramente que la densidad y el peso específico numéricamente coinci den en ocasiones, pero son conceptos distintos.
1.2.1. Masa La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. En el Sistema MKS, la masa se expresa en kilogramos (kg), mientras que en el Siste ma Técnico, se expresa en Unidades Técnicas de Masa (UTM). En el Sistema británico se expresa en libras (lb), llb equivale a 0,453592 kg.
1.2.2. Densidad La densidad es la masa por unidad de volumen y se expresa en kg/m3 en el Sistema MKS.
manual práctico del operador de calderas industriales
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Conceptos básicos
1.2.3. Volumen específico Es el volumen por unidad de masa (es el inverso de la densidad) y se mide en m3/kg en
-T
Sistem a MKS.
1111
Ejemplo 1.2.
Las densidades del aire y del agua, medidas en condiciones normales (una presión de 1,013 kg/cm• y una temperatura de 20 ºC) son: • Densidad del aire es 1,2 kg/m" y su volumen específico es 0,83 m"/kg. • Densidad del agua es 1.000 kg/m• y el volumen específico es 0,001 m"/kg.
1.3. UNIDADES DE VELOCI DAD Y ACELERACI ÓN Las unidades de medida de la velocidad y aceleración son m/s y m/s2 respectivamente, tanto en el Sistema MKS como en el Sistema Técnico. Aunque la aceleración de la gravedad varía con la altitud del lugar,se considera que es 9,81 m/s2 •
1.4. UNIDADES DE FUERZA De acuerdo con la ley de Newton la fuerza es el producto de la masa por la aceleración. En el sistema MKS la unidad de medida es el Newton (N). 1N = kg x m/s2•
En el Sistema Técnico es el kilopondio o kilogramo fuerza. 1kp o kgf = UTM X m/s2 • Para pasar de N a kp hay que dividir por 9,81. En el Sistema británico llibra equivale a 4,448 N (MKS) o a 0,454 kgf (ST).
1.5. UNIDADES DE PRESIÓN La presión ejercida sobre un cuerpo se define como la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie. F P= -
S
En el Sistema internacional (MKS) la unidad de medida es el pascal (Pa) que se define como la presión que ejerce una fuerza de un newton (N) sobre una superficie de un metro cuadrado (m2).
manual práctico del operador de calderas industriales Otras unidades de presión se muestran en la Tabla 1.2. Tabla 1.2. Otras unidades de presión. Unidades
Equivalencias 1 bar
Bar Milibar
1 kgfi'cm 2 1 mbar
Kgf/cm 2
105 N/m 2 98.000 N/m 2 l02 N/m 2
10' Pa 98.000 Pa 102 Pa
mm Hg
milímetros de columna de mercurio
m.c.a.
metros de columna de agua
mm.e.a.
milímetros de columna de agua
Kgf/m 2
1 kgfi'm 2 1 kp/cm2
9,8 N/m2
9,8 Pa
Las equivalencias del pascal son: 1Pa = 0,1mm.e.a. 1kPa = 0,1m.c.a.
En el Sistema británico la unidad de presión es 1 psi = 0,7 kgf/(cm2 de pulgadas de columna de agua), o pulgadas de columna de mercurio, etc. Y su equivalencia con el sistema MKS es 1Kpa = 0,145 psi. Fue Torricelli quien midió por primera vez la presión mediante el barómetro de mer curio. A la presión medida mediante el experimento de Torricelli se la denomina presión absoluta. El barómetro de mercurio por excelencia es el de Torricelli, pero además están el de Hooke, el de Fortín, y el de Tonnelot. Cuando se toma como referencia la presión atmosférica como origen de presiones aparece un nuevo concepto que se denomina presión relativa o manométrica, que es la presión que mide un manómetro, es decir, la presión en el interior de un recipiente, tomando como cero la presión atmosférica. Cuando los valores de la presión de los fluidos son muy bajos es bastante habitual usar como medida de presión la altura manométrica, tomando como referencia la pre sión ejercida sobre el fondo del recipiente de una columna de agua. Así, por ejemplo, 10 metros de columna de agua (m.c.a) equivalen a 1kg/cm2 • Aunque hay una gran variedad de manómetros los más empleados son los de Bourdon.
Conceptos básicos
1.6. P R ESIÓ N ATM OSFÉRICA La presión atmosférica es la presión que ejerce la masa gaseosa (denominada atmósfe ra) sobre la superficie de la tierra. La presión atmosférica fue determinada por primera vez por Torricelli.
1.6.1. Experimento de Torricelli Consiste en llenar de mercurio un tubo de vidrio de un metro de altura cerrado por un ex tremo, tapar con un dedo el extremo abierto, darle la vuelta y sumergirlo en un recipiente abierto con mercurio, dejando la parte abierta del tubo hacia abajo. Al retirar el dedo se observa que la altura de la columna de mercurio desciende hasta un valor de unos 760 mm, quedando vacío (vacío absoluto) en la diferencia hasta completar 1m. La presión P sobre un punto cualquiera de la superficie del mercurio en el recipiente de la Figura 1.1es igual a la presión atmosférica, mientras que la presión sobre cualquier punto interior al tubo viene dada por la expresión:
P = p x g x h Tubo de 1 cm2 de sección 240 mm
- ••.. >
-·······¿....-·····_. Columna de Hg
•..,..-··:?-····/ 760 mm Presión
Donde: P: Presión p: Densidad del mercurio g: Aceleraclón de la gravedad h: Altura de la columna de mercurio
atmosférica
W: Peso de la columna de mercurio
11 1 1 111 ;:;_n_te con -- ....
Hg
- ..
Figura 1.1. Experimento de Torricelli.
Si el experimento de Torricelli se hace al nivel del mar, a una temperatura de O ºC, como la densidad del mercurio es p = 13,59 g/cm3 y asumiendo que la gravedad es 980,6 cm/s2 en todos los puntos de la tierra, se obtiene la presión conocida como presión normal o atmósfera física.
P = p x g x h
manual práctico del operador de calderas industriales 1atm = 13,59 g/cm3 x 980,6 cm/s2 x 76 cm = 1,013 kgf/cm2
.2 e ·e ro
" '
(1
e
6
)
o
'ü
ii w
@
Conceptos básicos
En gran cantidad de procesos industriales se emplea como unidad de presión la de nominada atmósfera técnica, que equivale a 1kgf/cm2 = 1kp/cm2• También se utilizan otras unidades de presión para medir la presión atmosférica: 1atm = 1.013 mbar "" 1bar "" 105 Pa 1atm 1.333 mbar :::e 133 Pa 1torr = 760 El torr es la presión correspondiente a la altura de 1mm de columna de mercurio.
1.7. TEM PERATU RA: M EDIDA Y U NIDADES La temperatura es una magnitud que indica la mayor o menor cantidad de calor de un cuerpo. El calor que tiene un cuerpo viene determinado por la suma de las energías ciné ticas que poseen las moléculas de dicho cuerpo y la temperatura es la medida de dicho potencial (siguiendo un símil eléctrico el calor es a la intensidad, lo que la temperatura es a la diferencia de potencial). El calor tiene la tendencia a pasar de los cuerpos que están a mayor temperatura a los cuerpos que están a menor temperatura. Conviene remarcar que aunque el paso de calor de unos cuerpos a otros está relacio nado con la temperatura de estos, calor y temperatura son conceptos distintos. La cantidad de calor que tiene un cuerpo viene dada por la expresión:
Donde: Q: cantidad de calor K: coeficiente constante para cada sustancia m: masa de cada molécula n: número de moléculas v: velocidad de movimiento de las moléculas Si Mes la masa: M= nx
m
Sustituyendo en la ecuación anterior: y2
Q= KXMX-
2
Por otra parte, la temperatura, T, de un cuerpo es una medida de ese potencial energético: T= HXv2
manual práctico del operador de calderas industriales
Donde: H: es una constante que depende de cada cuerpo v: velocidad de movimiento de las moléculas Sustituyendo esta expresión en la ecuación anterior se obtiene la expresión del calor específico: Q=
K
Para medir la temperatura se emplean los termómetros.
Tipos de termómetros Los termómetros están basados en los efectos que producen al variar la cantidad de calor: • Termómetros de dilatación. • Termómetros de presión. • Termómetros de resistencia. • Termómetros termoeléctricos. • Pirómetros ópticos.
Escalas termométricas Las escalas termométricas se pueden dividir, a su vez, en absolutas y relativas. a) Escalas termométricas absolutas Escala Kelvin: la referencia es el punto triple del agua, en este punto coexisten los tres estados (sólido, líquido y gaseoso). El punto triple del agua se produce a una temperatura de 273,16 ºK (0,01 ºC) y una presión absoluta (presión parcial del vapor de agua) de 0,0060373057 atmósferas. p
Punto critico
T
Figura 1.2. Diagrama presión-temperatura .
a
Conceptos básicos
En un típico diagrama de fase (Figura 1.2), se muestran los puntos de congelación, de ebullición, de sublimación y el punto triple haciendo mención también al comportamiento anómalo del agua. El cero absoluto lo calculó Kelvin; demostrando que al enfriar un gas, su volumen va disminuyendo proporcionalmente con su temperatura. A partir de estos datos, Kelvin calculó por extrapolación que si se sigue enfriando el gas, al llegar a una temperatura próxima a -273,15 grados Celsius el volumen tiende a cero, con independencia de la composición o el volumen del gas empleado, concluyendo el científico que esa tempera tura era un mínimo absoluto para cualquier sustancia. Para bajar la temperatura de un cuerpo hay que enfriar, Kelvin concluyó que un gas alcanza el cero absoluto cuando se le ha extraído la totalidad de su energía. Planteando la equivalencia entre materia y energía, en el momento en que un gas alcanza el cero absoluto, debe desaparecer, ya que al quedarse sin energía también se queda sin materia. Escala Rankine: tiene el mismo concepto que la escala Kelvin pero para el Sistema británico. El rango de medida va desde O ºR a 460 ºR. b) Escalas termométricas relativas Escala Celsius: sus referencias son los puntos de fusión (0 ºC) y de evaporación (100 ºC) del agua. Escala Fahrenheit: sus referencias son el punto de fusión de la mezcla frigorífica de agua y cloruro de amonio (0 ºF) y el punto de fusión del agua sin esta sal (el 32 ºF). La relación entre las escalas se muestra en la Figura 1.3. Escalas de temperaturas
• o
+32
•
•
+2
Celsius
?
q>
Kelvin
73
+492
Fahrenheit
+4fO
•
-273
-460
• •
Rankinc
Figura 1.3. Relación entre las escalas de temperatura .
manual práctico del operador de calderas industriales
Existe una tercera escala relativa denominada Réaumur pero actualmente está en desuso. Las relaciones entre estas escalas absolutas y relativas se muestran en la Tabla 1.3. Tabla 1.3. Cambio de unidades de temperatura . De
A
Factor de conversión
Factores de conversión de las fó1mulas 9/5 = 1,8
10
9/4 = 2,25
10/8 = 1,25
Fahrenheit
Celsius
C = (F - 32)/ 1,8
Fahrenheit
Kelvin
K = (F + 459,67)/ 1.8
Fahrenheit
Rankine
Ra = F + 459,67
Fahrenheit
Réaumur
Re = (F - 32)/2,25
Celsius
Fahrenheit
F = e x 1,8 + 32
Celsius
Kelvin
K = C + 273,15
Celsius
Rankine
Ra = C x 1,8 x 32 + 459,67
Celsius
Réaumur
Re = Cx 0,8
Kelvin
Celsius
C = K -273,15
Kelvin
Fahrenheit
F = K x 1,8 -459,67
Kelvin
Rankine
Ra = K x 1,8
Kelvin
Réaumur
R = (K - 273,15) x 0,8
Rankine
Celsius
e = (Ra - 32 -459,67)/1,8
Rankine
Fahrenheit
F = Ra -459,67
Rankine
Kelvin
K = Ra/ 1,8
Rankine
Réaumur
Re = (Ra - 32 -459,67)/2,25
Réaumur
Celsius
C = Re x l ,25
Réaumur
Fahrenheit
F = Re x 2,25 + 32
Réaumur
Kelvin
K = Re x 1,25 + 273,15
Réaumur
Rankine
Ra = Re x 2,25 + 32 + 459,67
1.8. CAU DAL, U NIDADES Se denomina caudal a la cantidad de fluido que pasa por un conducto en la unidad de tiempo. El caudal volumétrico en los sistemas MKS y Técnico se mide en m3/s. El caudal másico, en el sistema MKS se mide en kg/s. Las unidades del sistema británico son: • cfm (pies cúbicos por minuto), 1cfm equivale a 0,471947 dm3/s. • gmp (galones por minuto), 1gmp equivale a 0,063002 dm3/s.
1.9. EN ERGÍA, U NIDADES Se denomina energía a la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. La unidad en el SistemaInternacional es el julio (J): 1julio (J) = 1newton (N) x 1metro (m). La unidad en el Sistema Técnico es la kilocaloría (kcal). El sistema anglosajón utiliza la British Thermal Unit (BTU). Los factores de conversión de las distintas unidades de energía se muestran en la Tabla 1.4. Tabla 1.4. Factores de conversión de las distintas unidades de energía . Unidades
Equivalencia
I BTU
1,055 kJ
I CV
2,684 kJ
I BTU
0,252 kcal
I kcal
4,186 kJ
I kgm
9,80 J
I kcal
4 BTU
1.10. POTEN CIA, U NIDADES Se denomina potencia al trabajo realizado por unidad de tiempo. La unidad de potencia en el sistema MKS es el vatio (W) o su múltiplo el kilova tio (kW). El vatio equivale a un julio por segundo (W = J/s). Algunas equivalencias de potencia de los sistemas métrico y británico se muestran en la Tabla 1.5.
manual práctico del operador de calderas industriales Tabla 1.5. Factores de conversión de las distintas unidades de potencia. Unidades
Equivalencia
1 kW
860 kcal/h
1 kW
1,36 CV
0,736 kW
1 CV
1 kW
3,412 BTU/h
1 termia (th)
1.000 kcal
1.11. ENTALPÍA, CALO R Y CALO R ESPECÍFICO, U NIDADES El calor es un concepto intuitivo y bien conocido, pero calor específico y entalpía no lo son, se ha creído conveniente definirlos y explicarlos ampliamente, para facilitar la comprensión de fenómenos termodinámicos que se emplean en partes del libro y que es necesario que los operadores los asimilen y entiendan, a pesar de no ser conocedores de la termodinámica.
1.11.1. Ental pía y calor De acuerdo con el primer principio de la termodinámica, la variación de la energía inter na de un sistema es igual a la variación de entalpía menos la variación de la presión y volumen que experimenta. flU = fl H - fl(P X V) flU = fl H - [(P X fl V) + ( V X flP)] Siendo: U: energía interna H: entalpía P: presión V: volumen Por tanto, la variación de entalpía es: fl H = flU
+ fl(P X
V)
En consecuencia, al suministrar calor a un gas, una parte se emplea en aumentar su energía interna y el resto en dilatarlo y hacer un trabajo mecánico. Este caso general tiene dos casos particulares frecuentes: a) Proceso a presión constante: (flP = 0) flU = fl H - P
12
X
11 V; Wt = P
X
11 V -flU = fl H - Wt
Conceptos básicos
Luego la variación de energía interna es igual a la variación de entalpía menos el trabajo técnico.
13
b) Proceso a presión y volumen constantes: (flP = O y fl V = 0) flU = fl H
En este caso la variación de energía interna es igual a la variación de entalpía o cantidad de calor.
1.11.2. Calor específico El calor específico es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de una masa de agua de 1gramo, en 1ºC, partiendo de una temperatura de 25 ºC. Como la caloría es una unidad muy pequeña se emplea la kilocaloría (1kcal = 1.000 cal), la termia (1 th = 1.000 kilocalorias) y la tonelada equivalente de petróleo (1 tep = 10.000 termias). El calor específico es un valor que está referido al agua al que se asigna el valor 1y el resto de las sustancias toman esta referencia, por eso su valor es siempre inf erior a 1para las mismas. Los valores de ese calor específico medio de algunas sustancias se muestran en la Tabla 1.6. Tabla 1.6. Calor específico medio de algunas sustancias (kcal/kg ºC). Sustancia
Calor especifico
Agua
l
Cobre
0,0952
Hielo
0,4740
Mercurio
0,0333
Aluminio
0,2122
Estaño
0,0562
Hierro
O,ll24
Plomo
0,0314
1.12. CAMBIOS DE ESTADO: VAPORIZACIÓN Y CONDENSACI ÓN
La materia se presenta en la naturaleza en tres estados diferentes (sólido, líquido y ga seoso) tal y como se muestra en la Figura 1.4.
manual práctico del operador de calderas industriales
{(:o:, Estado LÍQUIDO
Estado GASEOSO
Figu ra 1.4. Cambios de estado de la materia.
Los diversos cambios de estado se denominan de la forma siguiente: Sólido - Líquido: Fusión - Solidificación Líquido - Gas: Vaporización/Ebullición - Condensación/Licuefacción Sólido - Gas: Sublimación - Cristalización/Sublimación inversa
El estado sólido presenta una fuerte atracción de sus moléculas (cohesión) y se man tiene el volumen y la forma. Si a un cuerpo en estado sólido se le suministra calor, au menta su energía interna logrando vencer las fuerzas de cohesión de sus moléculas, con lo que se pasa a estado líquido que mantiene el volumen pero no la forma. Si se continúa aportando energía calorífica a dicho cuerpo se llega al punto en que la energía molecular del cuerpo es superior a la fuerza de cohesión de sus moléculas alcanzándose el estado gaseoso, en el que no se conserva ni el volumen ni la forma. Cuando se aporta calor a una sustancia se incrementa su temperatura, salvo si cambia de estado, en cuyo caso la temperatura se mantiene constante, aunque siga absorbiendo calor. La cantidad de calor absorbida o cedida para realizar el cambio de estado es una constante que se denomina calor latente y es diferente para cada cuerpo. Calor latente: es el calor absorbido o cedido para realizar un cambio de estado. QJ.. =
mX
}.,
Donde Q). es el calor de cambio de estado, m es la masa y }., es el calor latente de la sustancia. Calor sensible: es el calor cedido o absorbido para elevar la temperatura de un cuerpo sin llegar a producir un cambio de estado. Q5 = m X Ce X (T,- T)
Donde: Q5: calor sensible m: masa Ce: calor específico r,: temperatura final T;: temperatura inicial
Conceptos básicos Calor total: es el calor total utilizado. QT = Qs
+ Q,. = m X
ce
X
( T,- T)
+ mX A
En la Tabla 1.7 figuran los valores de los cambios de estado de algunas sustancias. Tabla 1.7. Calor latente de fusión (\) y ebullición ( J.) de algunas sustancias (kJ/kg). T3 ebullición º C
Av
o
\ 334
100
2.260
Alcohol etílico
-114
105
78,3
846
Acetona
-94,3
96
56,2
524
Sustancia
Tª de fusión º C
Agua
Benceno
5,5
127
80,2
396
Aluminio
658,7
322 - 394
2.300
9.220
Estaño
231,9
59
2.270
3.020
Hierro
1.530
293
3.050
6.300
Cobre
1.083
214
2.360
5410
Mercurio
-38,9
11,73
3.56,7
285
Plomo
327,3
22,5
1750
880
Potasio
64
60,8
760
2.080
Sodio
98
113
883
4.220
-T-
11111
Ejemplo 1.3.
Determina el calor que hay que suministrar para convertir 1 g de hielo a -20 ºC en vapor a 100 ºC partiendo de los datos siguientes: Calor específico del hielo C"' = 2.090 J/kg ºK Calor de fusión del hielo Afh = 334 kJ/kg Calor específico del agua C,,, = 4.180 J/kg ºK Calor de vaporización del agua \.= 2.260 kJ/kg Etapas:
1.a Se eleva la temperatura de 1 g de hielo de --20 ºC (253 ºK ) a O ºC (273 ºK ) Q, = 0,001 kg X 2.090 J/kg ºK X (273 - 253) ºK = 0,0418 kJ = 41,8 J 2.ª Se
funde el hielo (hielo a O ºC - agua a O ºC)
Q2 = 0,001 kg X 334 kJ/kg = 0,334 kJ = 334 J
s.ª Se eleva la temperatura del agua de 0° C (273 ºK) a 100 ºC (373 ºK) Q, = 0,001 kg X 4.180 J/kg ºK X (373 - 273) ºK = 0,418 kJ = 418 J El calor total 1.5.
Q= Q,+ Q.+ Q.+ Q.= 3.053,8J se muestra de forma gráfica en la Figura
15
manual práctico del operador de calderas industriales 4.ª Se
pasa de agua a 100 ºC a vapor a 100 ºC
Q._ = 0,001 kg X 2.260 kJ/kg = 2,260 kJ = 2.260 J
18
T
100
50
· 41,8
2260 J
J
334
J
" Vapor
o ; ¡
20
Agua + Hielo
Hielo
Q
Cambios de estado
Calor (J)
T (ºC) -20
Punto inicial
o
Hielo a -20 ºC a hielo a O ºC
41,8
Hielo a O ºC a agua a O ºC
334,0
o o
Agua a O ºC a agua a 100 ºC
418,0
100
Agua a 100 ºC a vapor a 10 ºC
2260,0
100
Figura 1.5. Diagrama temperatura-cantidad de calor en los cambios de estado del agua.
La tabla de la Figura 1.5 muestra que, en todo el proceso de calentamiento, la vapo rización del agua es la que más calor requiere, 2.260 julios, lo que representa el 74 % del total de 3.053 julios. Estos valores son variables en función de la presión en que se verifica el cambio de estado, como puede verse en las tablas de agua-vapor que se muestran en el apartado 1.18. Si a un líquido sometido a cierta presión se le suministra calor, su temperatura au menta hasta un valor en el que se produce el inicio de la evaporación, este punto se de nomina líquido saturado. Si se sigue aumentando la cantidad de calor,aparecen una serie de estados sucesivos que son mezclas de líquido y vapor que se denominan vapor húme do; si continúa el aumento de calor hasta que desaparece todo el líquido, a este punto se le denomina vapor saturado y si se sigue aportando calor, la temperatura comienza a subir nuevamente, llegando al punto de vapor sobrecalentado. Todo este fenómeno no depende más que de la presión y de la naturaleza del fluido. Se denominan vapores aquellos gases que en condiciones normales de presión y temperatura (1atm y temperatura ambiente) su estado normal es el líquido. Por ejemplo, se debe decir vapor de agua y no gas de agua y a su vez se debe decir gas de oxígeno y no vapor de oxígeno.
manual práctico del operador de calderas industriales 1.13. TRANSMISIÓN DE CALOR: RADIACIÓN, CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN El calor se transmite de unos cuerpos a otros de tres formas diferentes, conducción, convección y radiación, tal y como muestra la Figura 1.6. CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
Figura 1.6. Diferentes formas de transmisión de calor.
En la mayoría de situaciones, la transmisión de calor se produce por las tres formas, pero en ocasiones la transmisión en una de las formas es tan elevada que las otras dos pueden despreciarse.
1.13.1.
Transmisión de calor por conducción
La conducción es la propagación del calor en el interior de un cuerpo o entre cuerpos que están en contacto de forma que la transmisión tiene lugar sin movimiento de las molé culas de la materia. El calor se propaga de molécula a molécula haciendo que entren en vibración y choquen con las contiguas. El calor aplicado en un punto hace que aumente la energía interna de las moléculas, traspasando su estado de agitación a las moléculas contiguas y así sucesivamente. El flujo de calor que se propaga a través de un cuerpo depende de dos factores: • La diferencia de temperaturas. • El tipo de material. La conductividad térmica es la cantidad de calor que se pasa por unidad de tiempo a través de un metro cuadrado de superficie de una pared de caras planas de un metro de espesor, cuando entre ambas hay una diferencia de temperatura de 1ºC e indica la capacidad de un material para transmitir el calor en su propio seno. Se representa por }., y sus unidades son: kcal WX m w = b. --
m x h x ºC
§
o 1en ,._ =
= m X ºC ºC En la Tabla 1.8 se muestran los coeficientes de conductividad de diversos materiales.
m
2
X
11. ID e
o
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l i'
manual práctico del operador de calderas industriales
Tabla 1.8. Coeficientes de conductividad de diversos materiales ( m
) x kcal h x ºC .
Material
Temperatura ºC
Conductividad térmica
Acero
100
38,60
Cobre
100
324,00
Fundición de hierro
100
45,00
Madera
20
0,12
Fibra de vidrio
100
0,045
La cantidad de calor transmitida por conducción viene dada por la ley de Fourier, cuyas expresiones difieren cuando se trata de una superficie plana, un cilindro o una esfera.
Cantidad de calor que atraviesa una pared plana por conducción La cantidad de calor que se transmite a través de una superficie plana depende de la superficie, la diferencia de temperaturas entre ambas caras, del espesor y de la conduc tividad térmica del material, según la siguiente expresión:
s A.X S x .6.T Q =-e -
Q
Donde: Q:
1
1
,,,,,,,,,>------
es elflujo de calor en Kcal/h es la conductividad térmica en Kcalxh x•c S: es el área de la superficie plana en m'
11.:
.6.T: es la diferencia de temperatura entre las dos caras de la pared e: es el espesor de la pared
Figura 1.7. Flujo de calor a través de una superficie plana.
Cantidad de calor que atraviesa una pared cilíndrica por conducción
18
Conceptos
La cantidad de calor que se transmite a través de una superficiebásicos cilíndrica depende de los diámetros interior y exterior,la diferencia de temperaturas entre ambas caras y de la conductividad térmica del material, según la siguiente expresión:
t,-t,
Q = 2 X :n:Xi.. X---
1n
L
Donde:
]
º·
Q: es elflujode calor en Kcal/h )..: es la conductividad térmica en Kcal/(mx hx ºC) D1:es el diámetro Interior del tubo en m D2 :es el diámetro exterior del tubo en m L: es la longitud del tubo t 1: es la temperatura de la caraInterior del tubo en °C
t 2 :esla temperatura de la cara exterior del tubo en °C
Figura 1.8 Flujo de calor a través de una superficie cilíndrica.
Cantidad de calor que atraviesa una pared esférica por conducción La cantidad de calor que se transmite a través de una superficie esférica depende de los diámetros interior y exterior, la diferencia de temperaturas entre ambas caras y de la conductividad térmica del material, según la siguiente expresión: ---.---··-··-··-··-··-··-···"···-··-·-·-··-·· .
Donde: Q: es el flulo de calor en Kcal/h
A: es la conductividad térmica en Kcal/(m X h X ºC) D1 : es el diámetro de la esfera interior en m
o2 :es el diámetro de la esfera exterior en m t 1 : es la temperatura de la caraInterior de la esfera menor en oC t 2 :es la temperatura de la cara exterior de la esfera mayor en oC
----L.-..._e.:.:•:..-····· ··-··-··-·····-·-·· ··-··
Figura 1.9. Flujo de calor a través de una superficie esférica . ii w
@
42 e ·¡; ro e
" '
(1
)
.
o ü
3.2. T r a n s m i s i ó n d e c a l o r p o r c o n v e c c i ó n
La convección se define como la transmisión de energía calorífica de un punto a otro de un fluido por movimiento de la propia materia. Los líquidos y los gases son malos conductores del calor, por ello la transmisión de calor se realiza, con o sin cambio de estado, principalmente por convección. La convección puede ser: libre o natural y forzada.
19
manual práctico del operador de calderas industriales
Convección libre o natural Al aportar calor a un fluido, aumenta su temperatura y disminuye su densidad, por esa razón las moléculas calientes ascienden y este movimiento hace que el calor se transmita de unas moléculas a otras del fluido. Un ejemplo, es el que se produce al calentar un líquido por la parte inferior del reci piente en que se encuentra. Las moléculas captan la energía y entonces se desplazan en sentido ascendente a través del líquido frío a la parte superior del recipiente. Otro ejemplo típico de convección natural, es el tiro de las chimeneas. Al aumentar la temperatura de un fluido (gas) se produce el movimiento ascensional de las moléculas más calientes.
Convección forzada: laminar o turbulenta En la convección forzada interviene un nuevo elemento, generalmente una bomba de circulación o un ventilador,que incrementa el movimiento molecular del fluido. El flujo de un fluido circulando por una tubería, su velocidad es máxima en el eje del tubo y disminuye hasta anularse en la pared. En las inmediaciones de la pared del tubo, el líquido, como consecuencia de la viscosidad, tiene velocidad próxima a cero formando una capa de transición, denominada capa límite. Este movimiento puede producirse en régimen laminar o en régimen turbulento, se gún sea el valor de la velocidad del fluido y cuando la velocidad alcanza su valor crítico se produce el tránsito del régimen laminar al turbulento. Los factores que intervienen en uno u otro régimen, son: a) El número de Reynolds (Re). p X vX D Re = --µ
Donde: Re: número de Reynolds, que es un número adimensional v: velocidad D: diámetro µ: viscosidad b) Rugosidad de las paredes del circuito. El régimen de flujo es laminar para Re = 2.300; inestable (pudiendo ser laminar o turbulento) para valores de Re entre 2.300 y 5.000 y turbulento para Re > 5.000.
20
Conceptos básicos Para el estudio de la transmisión de calor por convección, las fórmulas se complican dado que sus cálculos son básicamente experimentales como consecuencia de que el fluido transmisor está en movimiento.
Hay dos casos que tienen un interés práctico: a)Superficies planas: 10,181
Q=CX
T- X (87) 1•2666
X
(1 + 0,794
X
v )º·5
m
b)Superficies cilíndricas: 10,2
Q=CX
d
10,181
X
T- X (87) 1•2666
X
(1 + 0,794
X
v )º·5
m
Donde: k 1 Q: calor transmitido en ca 2 hx m C: coeficiente experimental d: diámetro en m T+ T ª en ºC Tm: temperatura media Tm s 2 = 8T = Ts - Ta T5: temperatura de la superficie en ºC Ta : temperatura ambiente en ºC
1.13.3. Transmisión de calor por radiación Todo cuerpo a una temperatura mayor de O ºK emite energía radiante en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz en el aire o en el vacío. La energía radiante emitida se propaga en línea recta y es función de la temperatura y de la superficie del cuerpo emisor. Cuando las ondas inciden sobre un cuerpo que no es transparente a ellas, son absor bidas y su energía se transforma en calor. Se define como cuerpo negro aquel que es capaz de absorber toda la radiación que recibe. Un cuerpo que absorbe bien la radiación es también un buen emisor. Las superficies metálicas pulidas absorben y emiten poca radiación. La emisividad (E) es la relación entre el poder emisivo real de la superficie del mate rial y del poder emisivo que tendría si fuese un cuerpo negro. Varía de O a 1, siendo l la correspondiente al cuerpo negro. La ecuación de Stefan-Boltzman define las variables que influyen en la cantidad de energía emitida por un cuerpo en la unidad de tiempo. Q = E X 5 X a X T4
21
Conceptos básicos
Donde: Q: calor emitido en kcal/h kcal a: constante de Stefan-Boltzman = 4,88 x 10-s en ----
h X m 2 X T4 5: superficie en 2 m E: emisividad del cuerpo (es adimensional ya que está referida al cuerpo negro) T: temperatura de la superficie en ºK Un cuerpo con temperatura superior a O ºK emite energía radiante al ambiente y simultáneamente recibe energía radiante procedente del ambiente_ Si se trata de una superficie S (en m2), con una emisividad E, a una temperatura T1 (en ºK) en un ambiente a una temperatura Tª (en ºK), la energía neta Q que recibe, en kcal/h, viene dada por la expresión: Q = 4,88 X 10-s X 5 X
E X
(T/ -T3 4)
En la Tabla L9 se muestran diversos coeficientes de emisividad_ Tabla 1.9. Coeficientes de emisividad de diferentes superficies. Superficie
Coeficiente
Acero inoxidable
0,28
Aluminio pulido
0,09
Aluminio oxidado
0,25
Chapa de acero
0,55
Chapa de acero oxidado
0,65
Fibra mineral
0,70
Asbesto-Cemento
0,90
Acero galvanizado
0,30
Pintura negra
0,87
Pintura de aceite
0,94
Pintura de aluminio
0,52
Yeso
0,95
1.14. VAPOR DE AGUA: SATURADO, SOBRECALENTADO, RECALENTADO Y EXPANSIONADO Entre los distintos estados de la materia, hay un caso especial como es el agua y, en particular el caso del vapor de agua es especialmente relevante. Se han hecho diversos experimentos y realizado distintas curvas, relacionando las variables presión, volumen y temperatura, siendo la experiencia de Andrews pionera en este asunto.
Experiencias de Andrews En 1869 Andrews comprimió C02 a temperatura constante utilizando un cilindro de pare des resistentes, dentro del cual había un manómetro y un termómetro, como se muestra en la Figura 1.10. Termómetro
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., C02
\
CIiindro Figura 1.10. Experimento de Andrews.
Manteniendo constante una temperatura determinada, Andrews fue disminuyendo el volumen y leyendo la presión y el volumen en cada instante. Repitiendo el experimento a diferentes temperaturas, determinó una serie de puntos tales como Vu, VL2 , VL3, Vv 1, Vv 2 , Vv 3 , de forma que al unirlos obtuvo una curva, denominada curva de saturación. Esta curva tiene un máximo que coincide con el punto crítico y que la divide en dos, la parte de la izquierda corresponde a los puntos del líquido saturado y la parte de la derecha a los del vapor saturado, tal como se muestra en la Figura 1.11.
42
e ·¡; ro
"'
(1 )
e o . ü
ii w
@
23
Conceptos básicos
p Punto critico Punto triple
Figura 1.11. Diagrama presión-volumen-temperatura .
Andrews repitió el experimento con otras sustancias y mezclas viendo que cada sus tancia tiene su propia temperatura crítica, por encima de la cual no es posible licuar o condensar el gas, cualquiera que sea la presión, es decir,que para condensar el gas solo se consigue enfriándolo a una temperatura inferior a la crítica. En el caso del vapor de agua el comportamiento es similar; así partiendo del punto X de la curva isoterma T,se empieza a comprimir el vapor manteniendo constante la tempe ratura hasta alcanzar el punto F (vapor saturado), si se sigue comprimiendo aparecen las primeras gotas de líquido, que van aumentando hasta el punto D (líquido saturado) donde se alcanza la total desaparición del vapor, pasando por una serie de estados intermedios, con distintas mezclas líquido-vapor. A las diferentes proporciones líquido-vapor se las denomina título del vapor, que varía de O a l.Cuando este valor es cero, se dice que es un líquido saturado, y cuando es uno, es un vapor saturado, pasando por estados intermedios dentro de este rango. Este fenómeno ocurre cuando no se parte de la temperatura crítica o superior, para la cual, por mucho que se comprima el vapor nunca se llega a licuar,esta temperatura se denomina temperatura crítica y la presión y volumen también se denominan críticos, es lo que se denomina punto crítico "C". A modo de resumen se definen los siguientes conceptos relacionados con el vapor de agua:
manual práctico del operador de calderas industriales
Vapor saturado Un vapor es saturado, cuando sus condiciones de presión y temperatura corresponden al punto de cambio de estado. En la práctica se denomina vapor saturado seco si en su seno no existe partícula alguna de agua en estado líquido y vapor húmedo si en su seno hay partículas de agua en estado líquido.
Vapor sobrecalentado Es el vapor que habiendo llegado a vapor seco (sin fase líquida), se le continúa suminis trando calor. Es el vapor proveniente de una caldera.
Vapor recalentado Es el vapor proveniente de una máquina que ha cedido calor o parte de energía y vuelve a calentarse. Por ejemplo, el calor que proviene de una turbina y se envía a un recalentador para elevar su temperatura.
Vapor expansionado o vapor flash Es el vapor que se genera cuando se expansionan los condensados, es el llamado vapor flash producido en un depósito de revaporización.
1.15. VOLUMEN ESPECÍFICO DEL VAPOR DE AGUA Se denomina volumen específico de un cuerpo al volumen ocupado por la unidad de masa de dicho cuerpo siempre y cuando este sea homogéneo. Vo 1 umen espec1'f'1co = Volumen Masa Por otra parte, se denomina densidad a: . Masa Densidad = 1 Vo umen El volumen específico Ve es la inversa de la densidad p: 1 Ve = p En el caso del vapor hay que tener en cuenta que es muy compresible, su volumen depende de la presión y de la temperatura que soportan, por lo que para poder estudiar el volumen y la presión de una masa de vapor, es necesario mantener la temperatura durante el proceso (compresión isotérmica). Cuando un gas se comprime sin variar la temperatura, su volumen disminuye de tal forma que para una determinada masa gaseo-
25
manual práctico del operador de calderas industriales
sa (m), el producto de la presión (P) por el volumen ( V) se mantiene constante según la Ley de Boyle-Mariotte: P x V = cte. También se cumple que para dos situaciones de una misma masa de vapor, una a presión P1y un volumen V1 y otra de volumen V2 y presión P2 : P1 x
v1 = P2 x v2 = cte.
Y como la masa no cambia, aunque sí lo haya hecho el volumen, la igualdad anterior se cumple también con los volúmenes específicos: P1 X Ve1 = P2
X
Ve2 = cte.
Por tanto, los volúmenes específicos de vapor saturado disminuyen al aumentar la presión y son siempre mayores que los volúmenes específicos de líquido, excepto en el punto crítico "C", donde ambos son iguales.
1.16. CALO R ESPECÍFICO Como ya se ha comentado, el calor específico es la cantidad de calor que hay que ceder a la unidad de masa para que su temperatura aumente un grado. Las unidades son: caloría x g·1x °K·1 Al definir el concepto de temperatura se llegó a la expresión del calor específico: Ce = _!5_
2H
Donde: Ce: calor específico K y H: constantes que dependen de cada sustancia El calor específico depende de las condiciones de presión y temperatura iniciales, por lo que se utiliza el calor específico medio, que corresponde al valor aportado por la unidad de masa, dividido por la diferencia de temperaturas final e inicial. Cem =-Q
t,- ti
En el caso de los gases, hay que distinguir entre el calor específico a volumen cons tante Cv y el calor específico a presión constante Cp. Cp - Cv = R = 1,987 "" 2 cal/mol ºK, donde R es la constante universal de los gases perfectos. Cp/ Cv = y, donde y es el coeficiente de dilatación adiabática. 26
El calor específico a presión constante, Cp, se determina en un calorímetro, haciendo pasar un gas caliente por un tubo sumergido en agua y midiendo la velocidad del gas, la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida del calorímetro y la elevación de la temperatura del agua. La determinación experimental del calor específico a volumen constante, Cv, es difícil de realizar en la práctica, por eso se emplea el método de cálculo basado en la ecuación que relaciona este con el calor específico a presión constante, Cp, como se muestra a continuación: Cp X T = Cv X T + P X V
Considerando 1mol de un gas al que se le suministra calor, a presión y volumen constantes, para calentarlo y así elevar su temperatura T, por la ecuación de los gases perfectos, se cumple: P x V = n x R x T, si ( n = 1) - P x V = R x T Sustituyendo en la ecuación anterior: Cp X T = Cv X T + R X T - Cp = Cv + R - R = Cp - Cv
El
x litro 1987207 "" 2 I d R O 082 atmósfera caloría es ' ºK x mol o ' ºK x mol va or e
Por tanto: Cp - Cv "" 2
Una vez medido experimentalmente Cp, se calcula Cv a partir de esta última ecuación.
1.17. RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA DE VAPOR La relación entre la presión y la temperatura de vaporización puede verse en la Figura 1.12. En la Figura 1.12 las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P,7) en las que coexisten las siguientes fases: • En la línea BA coexisten en equilibrio líquido y gas. • En la línea BD coexisten en equilibrio sólido y líquido. • En la línea BC coexisten en equilibrio sólido y gas. El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y gas, y se denomina punto triple. Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termómetros. El punto A indica el valor máximo (PC' TJ en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases, y se denomina punto crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se pue-
2?
manual práctico del operador de calderas industriales de licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores que Te y Pe se denominan fluidos supercríticos.
P
Punto crítico
218 Fase líquida Agua
................ ...¡-_ 1
f?- ............:
Fase sólida :
0,006
Hielo . ...............-:.
: ..
.. :.. =
:.. Fase gaseosa =
¡e ¡
Vapor
e
(ºC)
100
Figura 1.12. Diagrama presión-temperatura para el agua.
374
1.18. TABLAS DE TRANSFORMACI ONES DE UNIDADES Y TABLAS DE VAPOR DE AGUA Con el fin de facilitar la resolución de ejemplos prácticos de cambio de unidades, cambios de estado, etc.,se incluyen las tablas siguientes: Tabla 1.10. Conversión de unidades. Longitud
28
m
mm
pulgada
pie
yarda
milla
l
1000
39,3700787
3,2808399
l ,0936133
0,00062137
0,001
l
0,0393701
0,0032808
0,0010936
0,00000062137
0,0254
2544
l
0,08333
0,02777
0,000015782
0,3048
304,8
12
l
0,333
0,00018939
0,9144
914,4
36
3
l
0,00056818
Superficie m2
hectárea
pulgada 2
pie2
yarda2
acre
l
0,0001
l .550,003 l
10,76391
l ,19599
0,000247ll
10000
l
15.500.031
107639,l
0,000ll96
2,4710538
0,00064516
0,0000000645
l
0,006944
0,0007716
0,00000015942
0.09290304
0,0000092903
144
l
O,lll
0,000022957
0,8361274
0,000083613
1296
9
l
0,00020661
4046 ,856
0,4046856
6.272.640
43560
4840
l
Volumen m'
litro
pie3
galón (USA)
galón (GB)
barril petróleo
l
1000
35,3146667
264,17205
219,96923
6,2898l08
0,001
l
0,0353147
0,2641721
0,2199692
0,0062898
0,0283168
28,3168466
l
7,4805195
6,2288349
0,1781076
0,0037854
3,7854ll8
0,1336806
l
0,8326741
0,0238095
0,0045461
4,5460904
0,1635437
l,20095
l
0,028594
1589873
158987295
56145833
42
34,9723128
l
l gal (USA) 3,78541 pie3 l pie' 0,0283 m 3
Presión kPa
atm
mmHg
mH20
psi
bar
l
O,Ol01972
7,5006278
0,1019745
0,1450377
0,01
98,0665
l
735,560217
l000028
14,2233433
0,980665
0,1333222
0,0013595
l
0,0135955
193367
0,0013332
9,8063754
0,0999972
73,5539622
l
l ,4222945
0,0980638
6,5947573
0,070307
51,7150013
0,7030893
l
0,0689476
100
l,0197162
750,062679
10,1974477
14,5037738
l
l pulgada H,O (60 ºF) 0,248843 kPa l pulgada Hg (60 ºF) 3,37685 kPa l atm 101,325 kPa 760 mm Hg l torr (101,325/760) kPa
Tabla 1.10. Conversión de unidades (continuación). Energía (calor y trabajo) kJ
kW x h
hp
h (USA)
l
0,0002777
0,000372506
3.600
l
2.684,5195
h (UK)
kcal
BTU
0,000377673
0,2388459
0,9478171
l,3410221
l,3596216
859,84523
3.412,1416
0,7456999
l
l ,0138697
641,18648
2.544,4336
2.647,7955
0,7354988
0,9863201
l
632,41509
2.509,6259
4,1868
0.001163
0,00155961
0,00158124
l
3,9683207
l,0550559
0,000293071
0,00039301
0,000398466
0,2519958
l
X
l termia 1000 kcal l termia I00.000 Btu l Btu 1055,0558 J l kilogramo fuerza x metro (Kgf x m)
CV X
0,00980665 kJ
Macrounidades de energía Terajulio
Gigavatio x hora
Teracaloría
Tm equivalente de carbón
Tm equivalente de petróleo
Barril petróleo día-año
TJ
GW x h
Tcal
tec
tep
Bd
l
0,2727
0,2388459
34,1208424
23,8845897
0,4955309
3-6
l
0,8598452
122,8350326
85,9845228
l ,7839ll3
4,1868
1,163
l
142,8571429
100
2,0746888
0,0293076
0,008141
0,007
l
0,7
0,0145228
0,041868
O,Oll63
0,01
l,4285714
l
0,0207469
2,0180376
0,560568
0,482
68,8571429
48,2
l
Potencia kW
kcal/h
BTU/h
hp (USA)
l
859,84523
3412,1416
l,3410221
l ,3596216
Tm refrigera c. 0,2843494
0,00ll63
l
3,9683207
0,0015596
0,0015812
0,0003307
0,00029307
0,2519958
l
0,00039301
0,00039847
0,000083335
0,7456999
641,18648
2.544,4336
l
l ,0138697
0,2120393
0,7354988
632,41509
2.509,6259
0,9863201
l
0,2091386
3,5168
3.023,9037
ll .999,82
4,7161065
4,7815173
l
30
CV
(UK)
Conceptos básicos
li
Energía interna Entalpía Entropía Tabla 1.11.Vol=on Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : temperatura) .
'-
específico
kJ/kg
m3/kg Líquido
I•
Temp. ºC
0,01
Vapor
Líquido
kJ/kg
Vapor
Líquido
Vapor
Presión Saturado Saturado Saturado Saturado Saturado Vapor bar
yf X 103
Vg
0,00611 1,0002 206,136
hfg
kJ/kg X ºK Vapor
Líquido
Vapor
Saturado Saturado Saturado
Uf
Ug
hf
hg
Sf
Sg
0,00
2375 ,3
0,01
2501 ,3 2501 ,4 0,0000
9,1562
4
0,00813 1,0001 157,232
16,77
2380,9
16,78
2491 ,9 2508,7
0,0610
9,0514
5
0,00872 1,0001 147,120
20,97
2382 ,3
20,98
2489 ,6 2510,6
0,0761
9,0257
6
0,00935 1,0001 137,734
25,19
2383,6
25,20
2487,2
0,0912
9,0003
8
0,01072 1,0002 120,917
33,59
2386,4
33,60
2482 ,5 2516,1
0,1212 8,9501
10
0,01228 1,0004 106,379
42,00
2389,2
42,01
2477,7
0,1510 8,9008
2512,4 2519,8
11
0,01312 1,0004
99,857
46,20
2390 ,5
46,20
2475,4 2521 ,6 0,1658
8,8765
12
0,01402 1,0005
93,784
50,41
2391 ,9
50,41
2473,0
0,1806
8,8524
2523,4
13
0,01497 1,0007
88,124
54,60
2393,3
54,60
2470 ,7 2525 ,3 0,1953
8,8285
14
0,01598 1,0008
82,848
58,79
2394 ,7
58,80
2468,3
2527,1 0,2099
8,8048
15
0,01705 1,0009
77,926
62,99
2396 ,1
62,99
2465,9 2528,9 0,2245
8,7814
16
0,01818 1,0011
73,333
67,18
2397,4
67,19
2463,6
8.7582
17
0,01938 1,0012
69,044
71,38
2398,8
71,38
2461 ,2 2532,6
0,2535
8,7351
18
0,02064 1,0014
65,038
75,57
2400,2
75,58
2458,8 2534 ,4 0,2679
8,7123
19
0,02198 1,0016 61,293
79,76
2401,6
79,77
2456,5 2536,2
0,2823
8.6897
20
0,02339 1,0018
83,95
2402 ,9
83,96
2454,1 2538,1
0,2966
8,6672
57,791
2530,8 0,2390
21
0,02487 1,0020
54,514
88,14
2404 ,3
88,14
2451,8 2539 ,9 0,3109
8,6450
22
0,02645 1,0022
51,447
92,32
2405 ,7
92,33
2449 ,4 2541 ,7 0,3251
8,6229
23
0,02810 1,0024
48,574
96,51
2407,0
96,52
2447,0
0,3393
8,6011
24
0,02985 1,0027
45,883
100,70 2408,4
100,70 2444 ,7 2545 ,4 0,3534
8,5794
25
0,03169 1,0029
43,360
104,88
2409,8
104,89 2442 ,3 2547,2
0,3674
8,5580
26
0,03363 1,0032
40,994
109,06
2411,1
109,07 2439 ,9 2549,0
0,3814
8,5367
27
0,03567 1,0035
38,774
113,25 2412 ,5
113,25
2550,8
0,3954
8,5156
28
0,03782 1,0037
36,690
117,42
2413,9 11 7,43 2435 ,2 2552,6
0,4093
8,4946
29
0,04008 1,0040
34,733
121,60 2415,2
121,61 2432 ,8 2554 ,S 0,4231
8,4739
30
0,04246 1,0043
32,894
125,78
2416,6
125,79 2430,5 2556 ,3 0,4369
8,4533
31
0,04496 1,0046
31,165
129,96
2418,0
129,97
2428,1 2558,1 0,4507
8,4329
32
0,04759 1,0050
29,540
134,14 2419 ,3
134,15 2425,7 2559 ,9 0,4644
8,4127
33
0,05034 1,0053
28,011
138,32 2420 ,7
138,33
2561,7
0,4781
8,3927
34
0,05324 1,0056
26,571
142,50 2422 ,0 142,50 2421 ,0 2563,5
0,4917
8,3728
35
0,05628 1,0060
25,216
146,67 2423,4
0,5053
8,3531
2437,6
2423,4
146,68 2418,6
2543,5
2565,3
.._
Tabla 1.11. Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : temperatura) (continuación) . 36
0,05947 1,0063
23,940
150,85 2424,7
2567,1 0,5188
8,3336
38
0,06632 1,0071
21,602
159,20 2427,4 159,21 2411,5
2570,7
0,5458
8,2950
40
0,07384 1,0078
19,523
167,56 2430 ,1 167,57 2406,7
2574,3
0,5725
8,2570
45
0,09593 1,0099
15,258
188,44 2436,8
188,45 2394 ,8 2583,2
0,6387
8,1648
50
0,1235
1,0121
12,032
209,32
209,33 2382,7
2592,1 0,7038
8,0763
55
0,1576
1,0146
9,568
230,21 2450,1
230,23
2600,9
0,7679
7,9913
60
0,1994
1,0172
7,671
251,11
2456,6 251,13 2358,5
2609,6 0,8312
7,9096
65
0,2503
1,0199
6,197
272,02
2463,1
2346,2
2618,3 0,8935
7,8310
70
0,3119
1,0228
5,042
292,95
2469 ,6 292,98 2333,8
2626,8 0,9549
7,7553
75
0,3858
1,0259
4,131
313,90 2475 ,9 313,93 232 1,4 2635 ,3 1,0155
7,6824
80
0,4739
1,0291
3,407
334,86
2482,2
7,6122
85
0,5783
1,0325
2,828
355,84
2488,4 355,90 2296 ,0 265 1,9
90
0,7014
1,0360
2,361
376,85
2494,5
376,92
2283,2 2660 ,1 1,1 925 7,479 1
95
0,8455
1.0397
1,982
397,88
2500,6
397,96
2270,2
2668,1
2676 ,1 1.3069 7,3549
2443,5
150,86 2416,2
272,06
2370,7
334,91 2308,8 2643,7
1,0753
1,1343 7,5445 1,2500
7,4159
100
1,014
1,0435
1,673
418,94 2506,5
419,04
2257,0
110
1,433
1,0516
1,210
461,14
2518,1
461,30
2230,2 269 1,5 1,4185 7,2387
120
1,985
1,0603
0,8919
503,50
2529 ,3 503,71 2202 ,6 2706 ,3 1,5276
7,1296
130
2,701
1,0697
0,6685
546,02 2539 ,9 546,31 2174,2 2720 ,5 1,6344
7,0269
140
3,613
1,0797
0,5089
588,74 2550 ,0 589,13 2144,7
150
4,758
1,0905
0,3928 631,68 2559,5
160
6,178
1,1020
0,3071 674,86
170
7,917
1,1143
0,2428 718,33
180
10,02
1,1274
0,1941 762,09
2583,7 763,22
190
12,54
1,1414
0,1565
632,20
2114,3
2568,4
675,55
2082,6
2576,5
719,21 2049,5
806,19 2590,0
807,62
2015,0
2733,9
1,7391 6,9299
2746,5
1,8418 6,8379
2758,1 1, 9427 6,7502 2768,7
2,0419
6,6663
2778,2
2,1396 6,5857
1978,8 2786 ,4 2,2359
6,5079
200
15,54
1,1565 0,1274
850,65 2595 ,3 852,45
1940,7
2793,2
2,3309
6,4323
210
19,06
1,1726
895,53 2599 ,5 897,76
1900,7
2798,5
2,4248
6,3585 6,2861
0,1044
220
23,18
1,1900 0,08619 940,87
2602,4
943,62
1858,5 2802 ,1 2,5178
230
27,95
1,2088 0,07158 986,74
2603,9
990,12
1813,8 2804 ,0 2,6099 6,2 146
240
33,44
1,2291 0,05976 1033,2
2604,0
1037,3
1766,5
2,7015
6,1437
250
39,73
1,25 12 0,05013 1080,4 2602 ,4 1085,4
1716,2 280 1,5 2,7927
6,0730
260
46,88
1,2755 0,04221 1128,4
2599 ,0 1134,4
1662,5
2796,6
2,8838
6,0019
270
54,99
1,3023 0,03564 1177,4
2593,7
1184,5
1605,2
2789,7
2,9751
5,9301
280
64,12
1,3321 0,03017 1227,5 2586,1
1236,0
1543,6 2779,6 3,0668
5,8571
290
74,36
1,3656 0,02557 1278,9 2576,0
1289,1 1477,1 2766 ,2 3,1594
5,7821
300
85,81
1,4036 0,02167 1332,0 2563,0 1344,0
1404,9 2749 ,0 3,2534
5,7045
320
112,7
1,4988 0.01549 1444,6 2525 ,5 1461,5
1238,6 2700 ,1 3,4480
5,5362
340
145,9
1,6379 0,01080 1570,3 2464,6
1027,9
5,3357
32
1594,2
2803,8
2622,0 3,6594
Conceptos básicos
;
Tabla 1.12. Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : presión) . Volumen
Energía ínterna
Entalpía
Entropía
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg X ºK
ffico m3/kg Líquido
Vapor
Líquido
Vapor
Líquido
Vapor
Presión Temp. Saturado Saturado Saturado Saturado Saturado
Vapor
Vapor
Líquido
Vapor
Saturado Saturado Saturado
bar
ºC
vf x l0
0,04
28,96
1,0040
34,800
121,45 2415 ,2
121,46 2432 ,9 2554 ,4 0,4226
8,4746
0,06
36,16
1,0064
23,739
151,53 2425 ,0
151,53 2415 ,9 2567,4
0,5210
8,3304
0,08
41,51
1,0084
18,103
173,87 2432 ,2 173,88 2403,1 2577,0
0,5926
8,2287
0,10
45,81
1,0102
14,674
191,82 2437,9
2584,7
0,6493
8,1502
0,20
60,06
1,0172
7,649
251,38 2456 ,7 251,40
2358,3 2609,7
0,8320
7,9085
0,30
69,10
1,0223
5.229
289,20
2468,4
289,23 2336 ,1 2625 ,3 0,9439
7,7686
0,40
75,87
1,0265
3,993
317,53
2477,0
317,58 2319 ,2 2636 ,8 1,0259
7,6700
0,50
81,33
1,0300
3,240
340,44
2483,9
340,49
7,5939
0,60
85,94
1,0331
2,732
359,79 2489 ,6 359,86
3
Vg
Uf
Ug
hf
hfg
191,83 2392,8
hg
Sf
2305,4 2645 ,9 1,0910 2293,6
2653,5
Sg
1,1453 7,5320
0,70
89,95
1,0360
2,365
376,63 2494,5
376,70
2283,3 2660 ,0
1,1919 7,4797
0,80
93,50
1,0380
2,087
391,58
391,66
2274,1
1,2329
7,4346
0,90
96,71
1,0410
1,869
405,06 2502 ,6 405,15
2265,7 2670 ,9 1,2695
7,3949
1,00
99,63
1,0432
1,694
417,36 2506 ,1 417,46
2258,0
1,50
111,4
1,0528
1,159
466,94
2,00
120,2
1,0605
2,50
127,4
3,00
133,6
3,50 4,00
2498,8
2665,8 2675,5
1,3026
7,3594
467,11 2226,5 2693,6
1,4336
7,2233
0,8857
504,49 2529 ,5 504,70 2201 ,9 2706,7
1,5301
7,1271
1,0672
0,7187
535,10 2537,2
535,37
2181,5 2716 ,9 1,6072
7.0527
1,0732
0,6058
561,15
561,47 2163,8 2725 ,3
1,6718
6,9919
138,9
1,0786
0,5243
583,95 2546 ,9 584,33 2148,1 2732 ,4
1,7275
6,9405
143,6
1,0836
0,4625
604,31
2553,6
604,74
2738,6
1,7766
6,8959
4,50
147,9
1,0882
0,4140
622,25
2557,6
623,25 2120 ,7 2743,9
5,00
151,9
1,0926
0,3749
639,68 2561 ,2 640,23 2108,5
6,00
158,9
1,1006
0,3157
669,90
2519,7
2543,6
2133,8
1,8207
6,8565
2748,7
1,8607
6,8212
2567,4
670,56 2086 ,3 2756,8
1,9312
6,7600
2572,5
697,22 2066 ,3 2763,5
7,00
165,0
1,1080
0,2729
696,44
1,9922
6,7080
8,00
170,4
1,1148
0,2404
720,22 2576 ,8 721,11
2048,0
2769,1 2,0462
6,6628
9.00
175,4
1,1212
0,2150
741,83
2031,1
2773,9
2,0946
6,6226
2580,5
742,83
10,0
179,9
1,1273
0,1944
761,68 2583,6
762,81 2015 ,3 2778,1
2,1387
6,5863
15,0
198,3
1,1539
0,1318
843,16 2594,5
844,84
1947,3 2792 ,2 2,3150
6,4448
20,0
212,4
1,1767 0,09963 906,44 2600 ,3 908,79
1890,7 2799,5 2,4474
6,3409
25,0
224,0
1,1973 0,07998 959,11
1841,0
6,2575
2603,1
962,11
2803,1 2,5547
,
manual práctico del operador de calderas industriales Tabla 1.12. Variables termodinámicas del vapor de agua (entrada : presión) (continuación) . 30,0
233,9
1,2165 0,06668 1004,8 2604,1 1045,4
1795,7
2804 ,2 2,6457
1049,8
1753,7
2803,4
6,1869
35,0
242 ,6 1,2347 0,05707
40,0
250,4
1,2522 0,04978 1082,3 2602 ,3 1087,3
1714,1 2801,4
2,7964
6,0701
45,0
257,5
1,2692 0,04406
1676,4
2798,3
2,8610
6,0199
50,0
264,0
1,2859 0,03944
1147,8 2597,1
1154,2
1640,1 2794,3
2,9202
5,9734
60,0
275,6
1,3187 0,03244
1205,4
2589,7
1213,4
1571,0 2784 ,3 3,0267
5,8892
70,0
285,9
1,3513 0,02737
1257,6 2580,5
1267,0
1505,1 2772,1 3,1211 5,8133
80,0
295,1
1,3842 0,02352
1305,6 2569,8
1316,6
1441,3
3,2068
5,7432
90,0
303,4
1,4178 0,02048 1350,5 2557,8
1363,3
1378,9 2742 ,1 3,2858
5,6772
100
311,1
1,4524 0,01803
1317,1 2724,7
3,3596
5,6141
1116,2
2603,7
1008,4
2600,1
1121,9
1393,0 2544 ,4 1407,6
2758,0
2,7253 6,1253
110
318,2
1,4886 0,01599
1433,7 2529 ,8 1450,1
1255,5 2705 ,6 3,4295
5,5527
120
324,8
1,5267 0,01426
1473,0
1193,6 2684,9
5,4924
130
330,9
1,5671 0,01278
1511,1 2496 ,1 1531,5
140
336,8
1,6107 0,01149
1548,6 2476 ,8 1571,1
1066,5 2637,6
3,6232 5,3717
150
342,2
1,6581 0,01034
1585,6 2455 ,5 1610,5
1000,0 2610,5
3,6848
160
347,4
1,7107 0,009306 1622,7
2431 ,7 1650,1
930,6
2580,6
3,7461 5,2455
170
352,4
1,7702 0,008364 1660,2
2405 ,0 1690,3
856,9
2547,2 3,8079
5,1777
180
357,1
1,8397 0,007489 1698,9 2374,3
1732,0
777,1
2509 ,1 3,8715
5,1044
2513,7
1491,3
3,4962
1130,7 2662 ,2 3,5606 5,4323 5,3098
190
361,5
1,9243 0,006657 1739,9 2338,1
1776,5
688,0
2464,5
3,9388
5,0228
200
365,8
2,036 0,005834 1785,6 2293,0
1826,3
583,4
2409.7
4,0139
4,9269
220,9
374,1
3,155 0,003155 2029,6 2029 ,6 2099 ,3
2099 ,3 4,4298
4,4298
o
•• En esta unidad se hace una visión muy general de conceptos que aparecen en el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre, por el que se aprueba el Regla mento de equipos a presión y sus nstrucciones Técnicas Complementarias), como definiciones y aspectos legislativos referidos a la seguridad de las operaciones que se llevan a cabo en la genera ción de vapor o agua caliente. Además, se proporcionan conceptos generales de las superficies de intercambio calorífico, las for mas de transmisión de calor, los elementos de las calderas pirotubulares y acuotubulares y,la cla sificación de las calderas para facilitar la comprensión en posteriores unidades, donde se analizan con más detalle todos estos conceptos.
Contenidos 2.1.Definiciones 2.2.Conceptos exigibles 2.3.Elementos que incorporan las calderas 2.4.Requisitos de seguridad 2.5.Tipos y partes principales de una caldera 2.6.Superficies de calefacción: superficie de radiación y de convección 2.7.Transmisión de calor en calderas 2.8.Tipos de calderas según su disposición 2.9.
Tipos de calderas según su circulación
2.10.
Tipos de calderas según sus características principales
2.11.
Obtención del carné de operadores industriales de calderas
manual práctico del operador de calderas industriales
2.1. DEFINICIO N ES De acuerdo con el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre), CapítuloI,Artículo 2, además de las definiciones incluidas en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, en el Real Decreto 1495/1991, de 11 de octubre y en el Real Decreto 222/2001,de 2 de marzo, se tendrán en cuenta estas otras definiciones: • Comercialización, la puesta a la venta, la exposición, la venta, la importación, el alquiler, la puesta a disposición o la cesión de equipos a presión o conjuntos en la Unión Europea. • Empresa instaladora de equipos a presión, la persona física o jurídica, que acreditando disponer de los medios adecuados, realiza las instalaciones y asume la responsabilidad de su correcta instalación. • Empresa reparadora de equipos a presión, la persona, física o jurídica que, acreditando disponer de los medios adecuados, realiza las reparaciones y asume la responsabilidad de las mismas. • Fabricante, la persona, física o jurídica, que asume la responsabilidad del diseño y fabricación de un producto con objeto de comercializarlo en su nombre o ponerlo en servicio. • Inspección periódica, examen, reconocimiento, pruebas y ensayos, necesarios para garantizar que se mantienen las condiciones de seguridad y funcionalidad requeridos por este reglamento. • Inspecciones y pruebas en el lugar del emplazamiento, toda inspección anterior a la puesta en servicio o durante la misma de un equipo a presión o instalación. • Instalación, la implantación en el emplazamiento de equipos a presión que cum plen una función operativa, incluidos los ensamblajes de los distintos elementos. • Modificación de equipos a presión, la transformación o cambio de las carac terísticas técnicas originales o de la función principal de un equipo a presión, así como de sus accesorios de seguridad. • Modificación de instalaciones, la transformación de una instalación existente por ampliación, reducción o sustitución de equipos a presión por otros de caracte rísticas diferentes. • Organismo de control autorizado (OCA), entidad pública o privada, con perso nalidad jurídica, que se constituye con la finalidad de verificar el cumplimiento de las condiciones de seguridad de carácter obligatorio de productos e instalaciones industriales, establecidas por los reglamentos de seguridad industrial, mediante actividades de certificación, ensayo, inspección o auditoria y que dispone de au torización de la Administración para efectuar las tareas contempladas en este reglamento, de acuerdo con lo indicado en el Real Decreto 2200/1995, de 28 de diciembre, por el que se
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Generalidades sobre las calderas aprueba el Reglamento de la infraestructura de la calidad y la seguridad industrial.
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• Presión máxima admisible (PS), la presión máxima para la que está diseñado el equipo, especificada por el fabricante. Esta presión es equivalente a la denomina da como presión de diseño en la reglamentación anterior. • Presión de precinto (Pp), la presión a la que está tarado el elemento de seguri dad que protege al equipo a presión. • Presión de prueba (PT), aquella presión a la que se somete el equipo a presión para comprobar su resistencia. Corresponde a la mayor presión efectiva que se ejerce en el punto más alto del aparato durante la prueba de presión. • Presión máxima de servicio (Pms), la presión más alta, en las condiciones de funcionamiento, que puede alcanzar un equipo a presión o instalación. • Puesta en servicio, la puesta en funcionamiento por el usuario de un equipo a presión o instalación, para su primera utilización o después de una reparación, modificación o cambio de emplazamiento. • Reparación, la acción de recomponer las partes sometidas a presión de un equi po, que garantice las características y las condiciones iniciales de fabricación y de funcionamiento. • Temperatura, la magnitud física del nivel térmico de los fluidos en el interior de un equipo a presión, medida en grados Celsius. • Temperatura máxima/mínima de servicio (Tms), la temperatura más alta o más baja que se estima puede producirse en el interior del equipo en condiciones extremas de funcionamiento. • Usuario, la persona física o jurídica que utiliza, bajo su responsabilidad, los equi pos a presión o instalaciones. Nota: ndependientemente de las definiciones contempladas en el Capítulo 1Artículo 2 del Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre), la denominación de equipo a presión para referirse a todo elemento diseñado y fabricado para contener fluidos a presión superior a 0,5 bar. En esta denominación se incluyen todos los elementos que se contemplan en el presente reglamento como aparatos a presión, recipientes a presión simples, equipos a presión, conjuntos, tuberías y equipos a presión transportables. Cuando en el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre), se haga referencia a equipos a presión incluidos en el ámbito de aplicación del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva 97/23 /CE, se indicará de forma expresa.
De acuerdo con el Artículo 2 de la instrucción técnica complementaria ITC EP-1 Cal deras, CapítuloI, sin perjuicio de la terminología que figura en el Artículo 2 del Regla mento de equipos a presión y en la norma UNE 9-001,a los ef ectos de esta ITC se estará a las siguientes definiciones:
• Caldera, todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
• Caldera de vapor, la que utiliza como fluido caloportante o medio de transporte el vapor de agua. • Caldera de agua sobrecalentada, toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110 ºC. • Caldera de agua caliente, toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura igual o inf erior a 110 ºC. • Caldera de fluido térmico, toda caldera en la que el medio de transporte de calor es un líquido distinto del agua. • Caldera automática, caldera que realiza su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo para su puesta inicial en funcionamiento o en el caso de haber actuado alguno de los dispositivos de seguridad que hayan bloqueado la aportación calorífica. • Caldera manual, la que precisa de una acción manual para realizar algunas de las funciones de su ciclo normal de funcionamiento. • Caldera móvil, la que está en servicio mientras se desplaza. • Caldera con emplazamiento variable, aquella que se monta sobre un bastidor para facilitar su cambio de ubicación. • Riesgo ajeno, el que af ecta a viviendas, locales de pública concurrencia, calles, plazas y demás vías públicas y talleres o salas de trabajo ajenas al usuario. • Sala de calderas, local cerrado de uso exclusivo e independiente de otros servi cios, en el que se encuentra instalada la caldera. • Recinto de calderas, espacio protegido por cercado, que podrá ser interior a un local o abierto al exterior. • Caldera de recuperación de lejías negras, caldera de vapor que utiliza como combustible las lejías negras concentradas que se generan en el proceso de fabri cación de pasta de papel al sulfato.
2.2. CONCEPTOS EXIGIBLES En el entorno que se mueve la generación de vapor, la legislación marca una serie de exigencias a los cuatro agentes involucrados en la operación, para que esta sea segura. Dichos agentes son los usuarios, las empresas mantenedoras, el fabricante y la propia caldera.
2.2.1. Obligaciones de los usuarios Según el Reglamento de equipos a presión. Capítulo V, Otras disposiciones: Artículo 9. Obligaciones de los usuarios. Los usuarios de todos los equipos a presión contemplados en este reglamento, deberán:
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a) Conocer y aplicar las disposiciones e instrucciones del fabricante en lo referente a la utilización, medidas de seguridad y mantenimiento.
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b) No poner en servicio la instalación o impedir el funcionamiento de los equipos a presión si no se cumplen los requisitos del presente reglamento. c) Disponer de al menos la siguiente documentación de los equipos a presión mien tras estén instalados: declaración de conformidad, en su caso, instrucciones del fabricante, y si procede, certificado de la instalación, junto con otra documenta ción acreditativa (en su caso, proyecto de la instalación, acta de la última inspec ción periódica, certificaciones de reparaciones o modificaciones de los equipos, así como cualquier otra documentación requerida por la correspondiente instruc ción técnica complementaria (ITC) de este reglamento). En el anexo V de este reglamento, se indican los contenidos mínimos de los documentos necesarios para la acreditación de la instalación, inspecciones periódicas, reparación o mo dificación de los equipos a presión o de los conjuntos. Esta documentación estará a disposición del órgano competente de la Comunidad Autónoma y de las empre sas que efectúen las operaciones de mantenimiento, reparación e inspecciones periódicas. d) Utilizar los equipos a presión dentro de los límites de funcionamiento previstos por el fabricante y retirarlos del servicio si dejan de disponer de los requisitos de seguridad necesarios. e) Realizar el mantenimiento de las instalaciones, equipos a presión, accesorios de seguridad y dispositivos de control de acuerdo con las condiciones de operación y las instrucciones del fabricante, debiendo examinarlos al menos una vez al año. f) Ordenar la realización de las inspecciones periódicas que les correspondan, de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 6 de este reglamento. g) Disponer y mantener al día un registro de los equipos a presión de las categorías Ia V del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, o asimilados a dichas categorías según su artículo 3.2, así como de las instalaciones sujetas a este reglamento, excepto los extintores y los equipos que no requieran inspecciones periódicas, incluyendo las fechas de realización de las inspecciones periódicas, así como las modificaciones o reparaciones. h) Ordenar, en su caso, las reparaciones o modificaciones de acuerdo con lo dis puesto en los artículos 7 y 8 de este reglamento. i) Informar de los accidentes que se produzcan, de acuerdo con lo dispuesto en el artículo 14 del presente reglamento. Artículo 12. Obligaciones de los usuarios. Además de las obligaciones indicadas en el artículo 9 del Reglamento de equipos a presión, en las instalaciones incluidas en la presente ITC, deberán cumplirse estas otras obligaciones: a) Operación de la caldera. El usuario deberá designar a una persona capacitada para realizar la operación de la caldera mientras esté en funcionamiento, cum pliéndose en todo momento lo indicado en el artículo 13 sobre operadores de calderas.
Generalidades sobre las calderas
b) Mantenimiento de la caldera. El usuario deberá realizar un mantenimiento ade cuado de todos los sistemas de la instalación, prestando una dedicación especial a los órganos !imitadores o reguladores para que mantengan su fiabilidad, pro cediendo a la comprobación de su funcionamiento durante las verificaciones. De igual forma, prestará una atención especial con respecto a las obligaciones indi cadas en el artículo 8 de esta ITC sobre el tratamiento del agua de alimentación. c) Vigilancia de la caldera. En caso de que se produzca un fallo de alguno de los ele mentos de control o seguridad, deberá adecuarse el sistema de vigilancia de la caldera, pasando a vigilancia directa, en tanto no se restablezcan las condiciones iniciales y se compruebe el correcto funcionamiento de los elementos averiados. d) Documentación. Deberá disponerse de la siguiente documentación: • Libro de la instalación. El operador de la caldera deberá tener a su disposi ción un libro en el que se indiquen las características de la instalación y las actuaciones, controles o inspecciones realizadas. El libro podrá sustituirse por los correspondientes registros que incluyan una información equivalente. En el anexo IIIde esta ITC, se indica la información mínima que debe incluirse en el libro o registro correspondiente. En el libro o registro se anotarán las operaciones efectuadas para el control de las seguridades. De igual forma, deberán anotarse las comprobaciones del control del agua de alimentación, los posibles fallos de funcionamiento, las inspecciones o controles realizados, así como las reparaciones o modificaciones que puedan realizarse. • Documentación de la instalación. El operador de la caldera dispondrá al menos de la siguiente documentación: - Manual de instrucciones de la caldera. - Manual de instrucciones del equipo de combustión. - Manual de instrucciones del tratamiento de agua. - Relación de elementos y dispositivos de operación o seguridad. - Manual de seguridad del operador, redactado por el propio usuario, que contendrá al menos: o Normativa de seguridad del personal de operación. oInstrucciones de seguridad para situaciones de emergencia. oInstrucciones de seguridad para situaciones de fallo de elementos de control o seguridad. Modificación del sistema de vigilancia de la caldera. oInstrucciones en caso de accidente. oInstrucciones en los períodos de inspecciones, mantenimiento y reparación. Equipo de seguridad requerido. o Prendas de seguridad personal. oInstrucciones para el personal ajeno a la propia caldera. oInstrucciones de primeros auxilios. o Sistema de revisiones del Manual de seguridad.
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- Datos obtenidos en el protocolo de puesta en marcha. - Prescripciones de los niveles de emisiones a la atmósfera. - Dirección del servicio técnico para la asistencia de la caldera y quemador. - Dirección del servicio contra incendios más próximo.
2.2.2. Obligaciones de las empresas instaladoras y reparadoras Las empresas instaladoras y reparadoras de equipos a presión están obligadas a: a) Disponer de la correspondiente inscripción en el órgano competente de la Comu nidad Autónoma correspondiente a su domicilio social. b) Mantener al día los requisitos de inscripción y renovarla antes de su vencimiento, notificando, en su caso, las modificaciones de los datos declarados. c) En caso de realizar actuaciones en otra Comunidad Autónoma, notificar al corres pondiente órgano competente las actuaciones que pretende realizar,acompañan do un certificado de inscripción y no sanción. d) Realizar las instalaciones, reparaciones o inspecciones periódicas de acuerdo con el presente reglamento, emitiendo las correspondientes certificaciones. e) Disponer del correspondiente libro o registro en donde se anoten las actuaciones realizadas, indicando al menos: • Fecha de actuación. • Usuario. • Tipo de actuación. •Identificación o características del equipo o de la instalación.
2.2.3. Condiciones exigibles al fabricante
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Al adquirir una caldera, se deberá exigir al fabricante de esta, que junto a la misma se entregue la siguiente documentación: a) Expediente de control de calidad: • Certificados de calidad de los materiales empleados en las distintas partes so metidas a presión, extendidos por el propio fabricante o por algún laboratorio homologado por la Administración. • Certificado de homologación del proceso de soldadura de la misma. • Certificados de calificación de los soldadores que han intervenido en su fabricación. • Resultado de los ensayos, controles e inspecciones realizados. b) Cuaderno de instrucciones de funcionamiento: • Manual de funcionamiento de la caldera y accesorios. • Manual de funcionamiento del quemador y accesorios. • Manual de mantenimiento y frecuencia de mantenimientos. c) Libro de registro del usuario: con identificación y características del mismo. d) Certificados que han de acompañarse en la solicitud de puesta en servicio.
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Generalidades sobre las calderas
2.2.4. Condiciones exigibles a la caldera a) Que incorpore materiales adecuados y una mano de obra cualificada, acordes con las Reglas de fabricación y el Código de diseño y construcción. b) Que el colector de lodos e impurezas depositados por el agua esté colocado de tal forma que pueda manipularse fuera de la acción del fuego. c) Que la capacidad del agua y del vapor sean suficientes para prevenir las fluctua ciones del vapor y del nivel de agua. d) Debe permitir una constante y total circulación de agua en su interior para man tener la temperatura uniforme en todas sus partes. e) Debe permitir la dilatación de las diversas partes de la misma, con objeto de evi tar tensiones internas inadecuadas, que darían como consecuencia la rotura de la misma. f) Que la resistencia mecánica de sus elementos esté por encima de cualquier de formación justificada. g) Que la cámara de combustión permita que la combustión se inicie y termine den tro del hogar. h) Que las superficies de calefacción estén dispuestas de tal manera que permitan obtener el máximo rendimiento de sus gases de combustión. i) Que todas sus partes y accesorios sean accesibles para su limpieza y manteni miento. j) Que esté proporcionada al trabajo a desarrollar. k) Que esté equipada con los equipos de medición (termómetros, manómetros, etc.), válvulas de seguridad y demás accesorios que permitan el perfecto y seguro fun cionamiento. 1) Que disponga de la correspondiente contraseña de inscripción y registro en el Ministerio deIndustria y Energía.
2.2.5. Condiciones exigibles a los operadores Según el Reglamento de equipos a presión. Capítulo V, Artículo 13, en lo referente a los operadores de calderas debe cumplirse que:
Capacitación del operador La conducción de calderas debe ser confiada a personal capacitado técnicamente. Los operadores de calderas serán instruidos en la conducción de las mismas por el fabrican te, el instalador o por el usuario, si dispone de técnico titulado competente.
Responsabilidades El operador de la caldera es el responsable de vigilar, supervisar y realizar el control del correcto funcionamiento de la caldera, debiendo ser consciente de los peligros que pue-
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de ocasionar una falsa maniobra, así como un mal mantenimiento o una mala conducción. Durante el proceso de arranque de la caldera será obligatorio que esta sea conducida por el operador de la misma, no pudiendo ausentarse hasta que se haya comprobado que el funcionamiento de la caldera es correcto y todos los dispositivos de seguridad, limita dores y controladores funcionan correctamente. Deberá poder actuar de forma inmedia ta, manual o remota, en caso de que se dispare la válvula de seguridad o cualquier otra de las seguridades de la instalación, hasta que se restablezcan las condiciones normales de funcionamiento.
Carné de operador industrial de calderas
a) b) c) d)
Las calderas de la clase segunda, a que se hace referencia en el artículo 3.2 de la pre sente ITC, de vapor o de agua sobrecalentada deberán ser conducidas por personal con carné de operador industrial de calderas. Para la obtención del carné deberá disponerse de conocimientos técnicos adecua dos. Para ello, deberá superarse un curso de capacitación impartido por entidades auto rizadas por el órgano competente de la Comunidad Autónoma. En el anexo IIde esta ITC, se indican los conocimientos mínimos, la duración del curso y los requisitos que deben cumplir las entidades para la impartición de dichos cursos. El carné, que tendrá validez y eficacia para todo el territorio español, será expedido por el órgano competente de la Comunidad Autónoma, una vez acreditado por el solicitante: Tener cumplidos 18 años. La superación de un curso impartido por una entidad autorizada, que incluya los conocimientos y la duración mínima indicada en el anexo de este capítulo. La superación de un examen realizado por el órgano competente de la comunidad autónoma. En el caso de extranjeros, previo cumplimiento de los requisitos previstos en la normativa española vigente en materia de extranjería e inmigración.
2.3. ELEMENTOS QUE INCORPORAN LAS CALDERAS
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Tratar de hacer una lista exhaustiva con todos los elementos que se incorporan a las calderas resulta una labor difícil dada la gran variedad de calderas disponibles en el mercado, por eso se citan los elementos principales y sus accesorios para tratar de dar una visión general y facilitar la comprensión: a) Hogar, haz vaporizador y calderines. b) Economizadores. c) Precalentadores de aire. d) Calentadores de aire y de agua. e) Sobrecalentadores de vapor. f) Recalentadores de vapor.
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Generalidades sobre las calderas
g) Accesorios adicionales: quemadores, ventiladores, bombas de agua de alimen tación, caballetes y turbinas de agua de alimentación, válvulas de paso, válvulas de retención, válvulas de purga, indicadores de nivel, manómetros, termómetros, presostatos, termostatos, etc.
2.4. R EQUISITOS DE SEGU RIDAD Los requisitos de seguridad pueden resumirse en los artículos 6, 7 y 8 del Reglamento equipos a presión y que se transcriben directamente a continuación.
Artículo 6. Prescripciones de seguridad de la instalación A 1. Prescripciones generales Deberán adoptarse las medidas de seguridad, de rendimiento o medioambientales indicadas en las correspondientes disposiciones específicas. La chimenea de evacuación de los productos de combustión deberá diseñarse según los criterios indicados en la norma UNE 123.001 o en otra norma de reconocido prestigio. El aislamiento de la chimenea solamente será obligatorio para las partes accesibles. Para la ubicación de las calderas, se tendrá en cuenta la clasificación de acuerdo con el artículo 3, considerando la clase de la mayor caldera en ella instalada y con indepen dencia de su número. A2. Condiciones de emplazamiento de las calderas Las calderas deberán situarse en una sala o recinto, que cumpla los siguientes re quisitos: • Ser de dimensiones suficientes para que todas las operaciones de mantenimiento, inspección y control puedan efectuarse en condiciones seguras, debiendo dispo nerse de al menos 1m de distancia a las paredes o cercado. En las zonas donde no existan elementos de seguridad ni se impida el manejo o el mantenimiento, esta distancia podrá reducirse a 0,2 m. • Deberán estar permanentemente ventiladas, con llegada continua de aire tanto para su renovación como para la combustión, y cumplir con los requisitos espe cíficos en relación con el combustible empleado. Si la sala o recinto de calderas linda con el exterior (patios, solares, etc.), deberá disponer de unas aberturas en su parte inferior para entrada de aire, distantes como máximo a 20 cm del suelo, y en la parte superior, en posición opuesta a las anteriores, unas aberturas para salida de aire. La sección mínima total de las aberturas, en ambos casos, vendrá dada por la siguiente expresión S = Qt/0,58, siendo S la sección neta de ventila ción requerida, expresada en cm2 y Qt la potencia calorífica total instalada de los equipos de combustión o de la fuente de calor, expresada en kW. No se admitirán valores de S menores de 0,5 m2 para las salas con calderas de la clase segunda, ni menores de 0,1m2 para las salas con calderas de la clase primera.
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• En el caso de locales aislados, sin posibilidad de llegada de aire por circulación natural, se dispondrán llegadas de aire canalizadas, con un caudal mínimo de 2,5 Nm3/hora por kW de potencia total calorífica instalada en los equipos de combus tión. Las calderas que como fuente de energía no utilicen la combustión podrán reducir la ventilación de la sala a la mitad. • Toda sala o recinto de calderas deberá estar totalmente limpia y libre de polvo, gases o vapores inflamables. • En la sala o recinto de calderas se prohíbe todo trabajo no relacionado con los aparatos contenidos en la misma, y en todos los accesos existirá un cartel con la prohibición expresa de entrada de personal ajeno al servicio de las calderas. • Solo podrán instalarse los elementos correspondientes a sus servicios, no permi tiéndose el almacenamiento de productos, con la excepción del depósito nodriza del combustible y los necesarios para el servicio de la caldera. • Deberá disponerse del manual de funcionamiento de las calderas allí instaladas y de los procedimientos de actuación en caso de activación de las seguridades. • En lugar fácilmente visible de la sala o recinto de calderas, se colocará un cuadro con las instrucciones para casos de emergencia. AJ. Condiciones de emplazamiento de las calderas de clase primera. Las calderas de la clase primera podrán estar situadas en un recinto, pero el espacio necesario para los servicios de mantenimiento e inspección se encontrará debidamente delimitada por una cerca metálica de 1,20 m de altura, con el fin de impedir el acceso de personal ajeno al servicio de las mismas. Para las calderas de vapor o de agua so brecalentada cuyo Pms x VT = 10.000, la distancia mínima que deberá existir entre la caldera y el riesgo ajeno será de 5 m. Alternativamente, podrá disponerse de un muro de protección con la resistencia indicada en el apartado 4.b.2 del presente artículo. La dis tancia mínima señalada se entiende desde la superficie exterior de las partes a presión de la caldera más cercana al riesgo y dicho riesgo. A4. Condiciones de emplazamiento para calderas de clase segunda. a) Estas calderas deben estar situadas dentro de una sala con dos salidas de fácil acceso situadas, cada una de ellas, en muros diferentes. En caso de que las distancias a los riesgos propios y ajenos sean mayores de 10 y 14 m, respectiva mente, no será necesario disponer de muro de protección. b) Los muros de protección de la sala deberán cumplir las siguientes condiciones: b.l. La altura alcanzará, como mínimo, un metro por encima de la parte más alta sometida a la presión de la caldera. b.2. Se realizarán de hormigón armado con un espesor mínimo de 20 cm y con al menos 60 kilogramos de acero y 300 kilogramos de cemento por metro cúbico. En cualquier caso, podrán utilizarse muros con un momento flector equivalente. c) Las aberturas en los muros de protección deberán cumplir las siguientes condi ciones:
Generalidades sobre las calderas
c.l. Las puertas serán metálicas, con unas dimensiones máximas de 1,60 m de an cho por 2,50 m de alto. Pueden incorporar rejillas en celosía para ventilación. c.2. Las dimensiones mínimas de al menos uno de los accesos deberán ser tales que permitan el paso de los equipos y elementos accesorios a la caldera (tales como quemadores, bombas, etc.), debiéndose respetar un mínimo de 0,80 m de ancho por 2 m de alto. c.3. Las puertas de las salas de calderas deberán abrirse en el sentido de la salida de la sala y estarán provistas de dispositivo de fácil apertura desde el interior. c.4. Toda abertura de medidas superiores a 1,60 m de ancho y 2,50 m de alto estará cerrada mediante paneles, desmontables o no, uno de los cuales po drá estar provisto de una puertecilla libre, hábil para el servicio. Los paneles ofrecerán una resistencia igual a la del muro en que estén instalados, resis tencia que será debidamente justificada. c.5. Las aberturas de los muros de protección destinadas a ventanas estarán situadas a un metro, como mínimo, sobre el punto más alto sometido a la presión de la caldera. c.6. Toda puerta o abertura de ventilación situada frente a un quemador, conte niendo el eje del mismo, dispondrá de una protección eficaz con un módulo resistente de 250 cm3, con el fin de poder resistir el posible impacto de aquél en caso de accidente. d) El techo de la sala deberá cumplir las siguientes condiciones d.l. La altura de los techos no será nunca inf erior a los 3 m sobre el nivel del suelo y deberá rebasar en un metro, como mínimo, la cota del punto más alto entre los sometidos a presión de la caldera y, al menos, a 1,80 m sobre las plataformas de la caldera, si existen. d.2. El techo del recinto será de construcción ligera (fibrocemento, plástico, etc.), con una superficie mínima del 25 % del total de la sala y no tendrá encima pisos habitables o locales de pública concurrencia; solamente podrán auto rizarse las superestructuras que soporten aparatos ajenos a las calderas, que se consideren formando parte de la instalación, tales como depuradoras de agua de alimentación, desgasificadores, etc., entendiéndose que dichos aparatos no podrán instalarse sobre la superficie ocupada por la caldera. A5. Condiciones específicas para las calderas de fluido térmico Las calderas de fluido térmico deberán cumplir los requisitos de instalación de la norma UNE 9-310, o cualquier otra norma equivalente. Así mismo, podrá utilizarse cual quier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndose en este caso acompañar un informe favorable de un organismo de control autorizado. Las calderas de fluido tér mico de la clase segunda podrán instalarse en un local independiente o al aire libre, no siendo necesario cumplir los requisitos del anterior apartado A4.
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Artículo 7. Sistemas de vigilancia de las calderas Las calderas incluidas en el ámbito de aplicación de la presente ITC dispondrán del siste ma de vigilancia indicado por el fabricante en las instrucciones de funcionamiento. El operador de la caldera deberá realizar las comprobaciones adecuadas de los con troles, elementos de seguridad y de la calidad del agua de alimentación para asegurarse del buen estado de la caldera. El sistema de vigilancia cumplirá los siguientes requisitos: a) Vigilancia directa El operador de la caldera debe asegurar su presencia en la sala de calderas o en la sala con repetición de las señales de las seguridades, para poder actuar de forma inmediata en caso de anomalía. En dicho local, debe existir un pulsador de emergencia que pare inmediatamente el sistema de aporte calorífico de forma segura y que active los sistemas de disipación de energía que hayan sido diseñados. Si el fabricante no ha indicado instrucciones para la vigilancia de la caldera, se con siderará como de vigilancia directa. b) Vigilancia indirecta Los intervalos de comprobación de los sistemas de control y seguridad para que el funcionamiento de la instalación sea seguro serán indicados por el fabricante de la caldera. El sistema de vigilancia de la caldera estará relacionado con los dispositivos de control de los que disponga. En las calderas que, de acuerdo con las instrucciones de funcionamiento del fabri cante, puedan funcionar de forma automática, sin presencia del personal de conducción en la sala de calderas, el operador deberá realizar comprobaciones funcionales para asegurar la operatividad de sus sistemas de control y seguridad. Se consideran adecua dos los sistemas de control y seguridad indicados en las normas UNE-EN 12953 y 12952 o cualquier otra norma equivalente que pueda utilizar el fabricante. En caso de fallo de controles o seguridades se requerirá la utilización de las instruc ciones de emergencia, debiéndose pasar a vigilancia directa hasta la subsanación de la anomalía.
Artículo 8. Agua de alimentación y agua de la caldera
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Para todas las calderas de vapor y de agua sobrecalentada deberá existir un tratamiento de agua eficiente que asegure la calidad de la misma, así como de un régimen adecuado de controles, purgas y extracciones. Se considera adecuado el indicado en las normas UNE-EN 12953-10 y 12952-12. Así mismo, podrá utilizarse cualquier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndo se en este caso acompañar un informe favorable de un organismo de control autorizado. Será obligación del usuario mantener el agua de las calderas, como mínimo, dentro de las especificaciones de las normas citadas en el párrafo anterior.
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Generalidades sobre las calderas
A estos efectos, el usuario realizará o hará realizar los análisis pertinentes y, si es necesario, instalará el sistema de depuración que le indique el fabricante, una empresa especializada en tratamiento de agua, o el diseñador de la instalación.
2.5. TIPOS Y PARTES PRINCIPALES DE UNA CALDERA Los distintos tipos de calderas empleados en la industria, se pueden dividir en cuatro grandes grupos en función del fluido caloportador que utilizan: a) Calderas de vapor (es el tipo que más se emplea en la industria). b) Calderas de agua caliente. c) Calderas de agua sobrecalentada. d) Calderas de fluido térmico. Toda caldera debe disponer de una superficie total de absorción de calor capaz de transmitir la máxima cantidad de calor suministrada por el combustible al fluido calopor tante con el máximo rendimiento y al menor coste posible. Por tanto, cada uno de los ele mentos implicados en la transferencia calorífica debe ser proporcionado a los restantes, haciendo que la caldera sea un conjunto equilibrado. Las partes que intervienen en el proceso de transferencia calorífica son: • Envolventes y superficie de calefacción. • Hogar (cámara donde tiene lugar la combustión). • Quemador (equipo para quemar el combustible). • Ventiladores (equipo que proporciona el aire para la combustión al quemador). • Equipos para la eliminación de los residuos de combustión, en calderas de com- bustible sólido. • Elementos de recogida y transporte de cenizas, en calderas de combustible sólido. • Separadores de vapor (domos), en calderas acuotubulares. • Sistema de suministro de agua de alimentación. • Sistemas de purga. • Cimentaciones y soportes. • Refractarios, en calderas pirotubulares. • Precalentamiento del agua de alimentación y del aire de combustión, para ahorro de energía. • Accesorios (válvulas, niveles, etc.). Las Figuras 2.1y 2.2 muestran, respectivamente, una caldera de vapor pirotubular en su conjunto y cómo son los elementos que la componen en su interior. La Figura 2.3 muestra, respectivamente, una caldera acuotubular (arriba) y el es quema de una caldera acuotubular de postcombustión, formando parte de una planta de cogeneración en ciclo combinado con turbina de contrapresión empleando gas natural como combustible (abajo).
manual práctico del operador de calderas industriales
Figura 2.1. Caldera pirotubular.
Figura 2.2. Detalle de una caldera pirotubular.
Generalidades sobre las calderas
Planta de cogeneración en ciclo combinado
Turbina de gas
Caldera acuotubular
Turbina de vapor 340 'C
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Figura 2.3. Caldera acuotubular (arriba) y esquema de planta de cogeneración
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2.6. SUPER FICIES DE CALEFACCIÓ N: SUPER FICIE DE RADIACIÓ N Y DE CO NVECCIÓ N Se denomina superficie de calefacción de una caldera a la superficie de intercambio de calor que está en contacto con la fuente de calor y con el fluido caloportador. Dependiendo de la posición relativa en el hogar respecto a la llama esta superficie puede ser:
Superficie de radiación La superficie de radiación de una caldera es la superficie que está en contacto con la llama y con los productos de combustión. A efectos de cálculo, se tomará como superficie de radiación: • En calderas acuotubulares, el valor correspondiente a la superficie proyectada por las paredes del hogar. • En calderas pirotubulares de cámara húmeda, las superficies proyectadas del ho gar,envolvente de la cámara del hogar y placa trasera de dicha cámara del hogar. • En calderas pirotubulares de cámara seca, la superficie proyectada del hogar. • En calderas pirotubulares de cámara semiseca, las superficies proyectadas del hogar y envolvente de la cámara del hogar. • En calderas de tipo móvil, la superficie proyectada del hogar. • En calderas verticales, las superficies proyectadas del hogar y de los tubos pantalla.
Superficie de convección La superficie de convección de una caldera es toda la superficie de calefacción que está en contacto con los gases de combustión o fluidos aportadores de calor, que se suelen colocar fuera del hogar.
2.7. TRA NS MISIÓ N DE CALO R EN CALDERAS En las calderas, el calor que se cede al fluido caloportante se obtiene: • Por combustión de combustibles gaseosos, líquidos o sólidos. • De fluidos calientes procedentes de un proceso industrial. • De energía eléctrica. • Por un proceso de fisión nuclear del uranio. • De biocombustibles y de energías reciclables (energía solar, viento, mareas, geotermia, etc.). La transmisión de calor en la caldera, desde la fuente de calor al fluido caloportante se realiza por radiación, convección, conducción o por los tres sistemas
simultáneamente. En toda caldera hay que distinguir la superficie de calefacción directa y la indirecta.
Superficie de calefacción directa La superficie de calefacción directa está formada por todas aquellas superficies que por un lado están en contacto con la llama, con los productos de la combustión o de los fluidos calientes portadores de calor,y por otro, con el fluido caloportante contenido en la caldera. En la superficie de calefacción directa hay dos zonas, la de radiación y la de convección. Teniendo en cuenta que el calor transmitido por radiación es proporcional a la cuar ta potencia de la diferencia de temperaturas entre la zona caliente (llama y gases de combustión) y la zona fría (fluido caloportador), el flujo de calor (cantidad de calor trans mitido por unidad de superficie) es muy elevado, por lo que es necesario tener especial cuidado con el cálculo y diseño de esta superficie para evitar problemas derivados de las elevadas oscilaciones térmicas a la que se ve sometida, procurando además que por la parte del agua esté libre de residuos e incrustaciones, para facilitar la transmisión de calor al agua y evitar que el acero alcance temperaturas superiores a las de diseño.
Superficie de calefacción indirecta La superficie de calefacción indirecta está formada por las superficies de la caldera que estando en contacto, por una cara, con el fluido caloportante de la caldera, por la otra cara no están en contacto con los fluidos calientes del sistema de aporte de calor. Como la transmisión se produce principalmente por convección, esta superficie se denomina de convección y normalmente suele estar fuera del hogar. El calor transmitido por convección viene dado por: Q = h X S X /H m Siendo: Q: cantidad de calor transmitido h: coeficiente de transmisión de calor por convección 5: superficie de calefacción !J.Tm: temperatura media de la diferencia de temperatura entre la zona de aporte de calor y la zona del fluido caloportante de la caldera. De esta ecuación se deduce que la cantidad de calor cedido se puede aumentar por: a) Aumento de la superficie de calefacción. b) Aumento de la diferencia media de temperaturas. c) Aumento del coeficiente h. Este coeficiente depende de varios factores, pero el más importante es el de la velocidad del fluido caliente, de forma que al
52
aumen tar esta velocidad, aumenta la cantidad de calor transmitido. Este coeficiente h baja si hay depósitos o incrustaciones de hollín en alguna de las dos caras de la superficie de calefacción.
57
manual práctico del operador de calderas industriales
2.8. TIPOS DE CALDERAS SEGÚN SU DISPOSICIÓN Las normas UNE 9002 y 9003 presentan los diversos criterios de clasificación para las calderas de vapor y calderas de agua sobrecalentada, respectivamente. Atendiendo a la disposición de los fluidos • Calderas de tubos de agua (acuotubulares). • Calderas de tubos de humo (pirotubulares). Atendiendo a la disposición de los tubos de las calderas • Calderas de tubos horizontales. • Calderas de tubos inclinados. • Calderas de tubos verticales. Atendiendo a la disposición del hogar respecto a la caldera • Calderas de hogar interior. • Calderas de hogar exterior. Atendiendo a la implantación de la caldera • Calderas estacionarias o terrestres. • Calderas móviles (locomotoras, marinas).
2.9. TIPOS DE CALDERAS SEGÚN SU CIRCULACIÓN Los tipos de calderas según su circulación son las siguientes: • Calderas de circulación natural (el fluido se mueve dentro de la caldera libremen te). • Calderas de circulación asistida (circulación parcialmente controlada del fluido térmico). • Calderas de circulación forzada (el fluido se mueve forzado totalmente dentro de la caldera).
2.10. TIPOS DE CALDERAS SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Los criterios de clasificación adoptados por las normas UNE 9.002 V 9.003, relativas, res pectivamente, a calderas de vapor y calderas de agua sobrecalentada son los siguientes: A. Criterios de clasificación comunes a ambas calderas:
A.l. Según la disposición de los fluidos:
Generalidades sobrelas calderas
a) Calderas de tubos de agua (acuotubulares). b) Calderas de tubos de humo (pirotubulares).
manual práctico del operador de calderas industriales
A.2. Según la transmisión del calor: a) Calderas de convección. b) Calderas de radiación. c) Calderas de radiación y convección. A.3. Según el combustible utilizado: a) Calderas de carbón (parrilla mecánica o carbón pulverizado). b) Calderas de combustibles líquidos (gasóleo). c) Calderas de combustibles gaseosos (propano, gas natural). d) Calderas de combustibles especiales (bagazo, residuos de madera). e) Calderas de recuperación de calor de gases (con o sin aporte de combustible). A.4. Según el tiro: a) Calderas de hogar presurizado. b) Calderas de hogar equilibrado. A.5. Según el sistema de apoyo empleado: a) Calderas apoyadas (sobre una cimentación). b) Calderas suspendidas (sobre soporte o estructura). A.6. Según el lugar de montaje: a) Calderas montadas en taller o fábrica. b) Calderas montadas in situ (en su propia ubicación). A.7. Según su implantación: a) Calderas terrestres (ubicadas en fábricas, hospitales, etc.). b) Calderas marinas (ubicadas en barcos). A.8. Según su ubicación: a) Calderas a la intemperie. b) Calderas protegidas contra la intemperie. A.9. Según su operación: a) Calderas automáticas (con encendido automático). b) Calderas semiautomáticas (automáticas con encendido manual). c) Calderas manuales. B. Criterios de clasificación para calderas de vapor B.l. Según la circulación de los fluidos: a) Calderas de circulación natural. b) Calderas de circulación asistida. c) Calderas de circulación forzada. B.2. Según la presión de trabajo: a) Calderas subcríticas (presión inferior a 218 kg/cm2): • De baja presión, P 20 kg/cm2 • De media presión, 20 P 64 kg/cm2 • De alta presión, 64 kg/cm2 < P < 218 kg/cm2 b) Calderas supercríticas (presión superior a 218 kg/cm2).
Generalidades sobre las calderas
B.3.
B.4.
B.5.
B.6.
B.7.
Según el sistema de vaporización: • Calderas de vaporización lenta. • Calderas de vaporización rápida. Según su uso: • Calderas fijas. • Calderas semifijas. • Calderas locomotoras. Según la fuente de calor. • Calderas para combustibles: sólidos, líquidos y gaseosos. • Calderas mixtas (pueden quemar varios combustibles). • Calderas de recuperación de calor. • Calderas eléctricas. Según la forma en que fluyan los gases de la combustión: • Calderas de paso directo. • Calderas de retorno. Según el medio caloportador: • Calderas de vapor. • Calderas de agua caliente. • Calderas de agua sobrecalentada. • Calderas de fluido térmico.
2.11. OBTENCIÓN DEL CARNÉ DE OPERADORES INDUSTRIALES DE CALDERAS Tal como se indica en el Reglamento de Equipos a Presión (Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre) es preceptiva para los operadores de calderas la obtención del carné de operador de acuerdo con el temario que se indica a continuación: A.Para la obtención del carné de operador industrial de calderas, deberán acreditar se los siguientes conocimientos: A.l. Conceptos básicos: a) Presión, su medida y unidades. b) Presión atmosférica. c) Temperatura, medida y unidades. d) Cambios de estado, vaporización y condensación. e) Transmisión del calor: radiación, convección y conducción. f) Vapor de agua saturado, sobrecalentado y recalentado, expansionado. g) Volúmenes específicos de vapor. h) Calor específico. i) Relación entre la presión y la temperatura del vapor. A.2. Generalidades sobre calderas: a) Definiciones. 55
b) c) d) e)
Condiciones exigibles. Elementos que incorporan. Requisitos de seguridad. Partes principales de una caldera. f) Superficie de calefacción: superficie de radiación y de convección. g) Transmisión de calor en calderas. h) Tipos de calderas según su disposición. i) Tipos de calderas según su circulación. j) Clasificación de calderas según sus características principales. A.3. Combustión: a) Tiro natural y forzado. b) Hogares en depresión y sobrepresión. c) Proceso de la combustión. Volúmenes teóricos de aire y humos. d) Chimeneas. A.4. Disposiciones generales constructivas en calderas pirotubulares: a) Hogares. Lisos y ondulados. b) Cámaras de hogar. c) Tubos. Tirantes y pasadores. d) Fijación de tubos a las placas tubulares. e) Atirantado. Barras tirantes, virotillos, cartelas. f) Cajas de humos. g) Puertas de registro: hombre, cabeza, mano y expansión de gases. A.5. Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares: a) Hogar. b) Haz vaporizador. c) Colectores. d) Tambores y domos. e) Fijación de tubos a tambores y colectores. f) Puertas de registro y expansión de gases. g) Economizadores. h) Calentadores de aire. i) Sobrecalentadores. j) Recalentadores. k) Calderas verticales. Tubos Field. Tubos pantalla para llamas. 1) Calderas de vaporización instantánea. Serpentines. A.6. Accesorios y elementos adicionales para calderas: a) Válvulas de paso. Asiento y compuerta. b) Válvulas de retención. Asiento, clapeta y disco. c) Válvulas de seguridad.
d) Válvulas de descarga rápida.
manual práctico del operador de calderas industriales
e) Válvulas de purga continua. f)Indicadores de nivel. Grifos y columna. g) Controles de nivel por flotador y por electrodos. h) Limitadores de nivel termostático. i) Bombas de agua de alimentación. j) Inyectores de agua. k) Caballetes y turbinas para agua de alimentación. 1) Manómetros y termómetros. m) Presostatos y termostatos. n) Tipos de quemadores. o) Elementos del equipo de combustión. A.7. Tratamiento de agua para calderas: a) Características del agua para calderas. b) Descalcificadores y desmineralizadores. c) Desgasificación térmica y por aditivos. d) Regularización del pH. e) Recuperación de condensados. f) Régimen de purgas a realizar. A.8. Conducción de calderas y su mantenimiento: a) Primera puesta en marcha: inspecciones. b) Puesta en servicio. c) Puesta fuera de servicio. d) Causas que hacen aumentar o disminuir la presión. e) Causas que hacen descender bruscamente el nivel. f) Comunicación o incomunicación de una caldera con otras. g) Mantenimiento de calderas. h) Conservación en paro prolongado. A.9. Reglamento de equipos a presión e ITC EP-1: a) Parte relativa a calderas, economizadores, sobrecalentadores y recalentadores. b) Realización de pruebas hidráulicas. c) Partes diarios de operación. B.Los cursos de capacitación para la obtención del carné tendrán una duración mí nima de 50 horas. C.Las entidades que pretendan realizar cursos de capacitación deberán acreditar ante el órgano competente de la comunidad autónoma, al menos, los siguientes requisitos: a) Disponer de los recursos humanos necesarios para la impartición de los cur sos. Deberá indicarse el nombre del responsable técnico de los cursos, con indicación de su titulación y experiencia. b) Disponer de los recursos técnicos y materiales adecuados. Material didácti co disponible, descripción de la ubicación y características de las aulas, etc.
5?
manual práctico del operador de calderas industriales
c) Disponer de experiencia en la impartición de cursos para formación profe sional o similar,con especial referencia de los relacionados con el carné de operador de calderas. d) Metodología de la enseñanza con indicación de la organización de la misma y sistemas de evaluación previstos. e) Alumnado máximo por curso.
58
•• En esta unidad se presentan las bases teóricas de la combustión, necesarias para entender bien el proceso de generación de vapor o agua caliente que se produce en la caldera, así como los elemen tos de medida y control de la combustión, para conocer y optimizar bien el proceso. Además, se incide en la definición de tiro, referido a la presurización o depresión en el hogar de la caldera, para terminar con una visión general de los quemadores y de las chimeneas, mostrando su influencia en el proceso de la combustión.
Contenidos 3.1.Combustión: definiciones, gases formados 3.2.Analizadores de gases de combustión 3.3.Tiro natural y tiro forzado 3.4.Tipos de hogares 3.5.Quemadores: ideas generales 3.6.Control de la combustión: tipos de control 3.7.Chimeneas 3.8.Tablas de parámetros de la combustión completa del gas natural
manual práctico del operador de calderas industriales
3.1. CO M BUSTIÓ N: D EFINICIO N ES, GASES FO R MADOS El proceso de combustión es una reacción de oxidación que tiene lugar entre un combus tible y el oxígeno del aire (comburente), con liberación de calor, como se muestra en la Figura 3.1. Proceso de combustión Combustible
Comburente
e
+
H,
+
s
+
Otros
+
Humos
Cantidad de calor
o,
e>
co,
+
33 MJ/kg
Y, O,
e>
H20
+
142 MJ/kg
o,
e>
S02
+
165 MJ/kg
o,
e>
N2 + NOX +...
Figura 3.1. Proceso de combustión.
Los combustibles están formados básicamente por C (carbono), H (hidrógeno), S (azufre) y pequeñas cantidades de otros elementos. La combustión requiere un volumen teórico mínimo de oxígeno (de aire), de acuerdo con la estequiometría de la reacción de combustión, que se denomina volumen teórico de aire ( V/
Pero en las condiciones reales, para garantizar una combustión completa es preciso suministrar aire en exceso respecto al teórico, denominado exceso de aire, que varía en función de: a) Composición, propiedades y condiciones del combustible durante la combustión. b) Método por el que se quema el combustible (lecho fijo, lecho fluidificado, etc.). c) Disposición y dimensiones de la parrilla (combustibles sólidos) o cámara de combustión. d) Temperatura admisible de los materiales del hogar. e) Grado de homogeneidad de mezcla del aire con el combustible. La relación porcentual entre el volumen teórico (V0) y el volumen real de aire introdu cido ( VJ se denomina coeficiente de exceso de aire (n), y viene dado por la siguiente expresión:
60
T-
.•
.....-:,-,
Combustión
Ejemplo 3.1.
1111
Calcula el volumen teórico de aire requerido para quemar 1 Nm" de gas natural y el coeficiente de exceso de aire en una combustión con un exceso de aire del 20 %. Solución Teniendo en cuenta que 1 mol de gas en condiciones normales ocupa 22,4 litros y que la reacción de combustión del gas natural (CH+) con el oxígeno del aire es:
Por cada mol de CH+ son necesarios 2 moles de o., es decir, que por cada 1 Nm" de gas natural se requieren 2 Nm" de oxígeno (2.000 litros). Como el aire está constituido por un 21 % de o. y un 79 % de N 2, en volumen, la cantidad estequiométrica o teórica de aire requerida es: V 0
= 2·000 = 9.524 litros de 0,21
aire
Como el exceso de aire es del 20 %, el volumen real de aire VR es: VR
= v;, X [1 + 1 0 ] -
VR
= 9.524 X 1,20 = 11.429 litros de aire
Con un cierto exceso de aire se consigue que la combustión sea completa, pero trae como consecuencia una reducción de la temperatura de la combustión, que a su vez reduce la transmisión de calor por radiación, aumentando las pérdidas de calor por la chimenea y generando un volumen de gases de combustión mayor por la misma. Por estas razones hay que trabajar con el menor exceso de aire posible sin que se produzcan inquemados (hollín) y así optimizar el rendimiento de la combustión de la caldera. Para controlar este exceso de aire se emplean analizadores de combustión, que mi den los porcentajes de 02 y de C02 en los humos. Cuanto mayor es el
61
manual práctico del operador de calderas industriales porcentaje de 02 , mayor es el exceso de aire, y cuanto mayor es el porcentaje de C02, menor es el exceso de aire. No es posible recomendar unos valores idóneos de C02 o de 02 de los gases de la combustión, pues su valor depende del tipo de combustible, tipo de hogar, tipo de quemador, etc., y hay que obtenerlos de forma empírica mediante pruebas para que el rendimiento de combustión en la caldera sea lo mayor posible. Unos valores típicos de exceso de aire se muestran en la Tabla 3.1.
60
Tabla 3.1. Valores típicos de excesos de aire. Combustible
Exceso de aire (%)
CO,(%)
Gaseoso
5-15
10-8
Líquido
15-25
14- 12
Carbón
30-50
17- 13
Biomasa (madera)
40-70
16-ll
En condiciones reales se trabaja siempre con exceso de aire y a pesar de ello la combustión nunca llega a ser completa, siendo los gases de salida por la chimenea más habituales: a) Dióxido de carbono cor b) Monóxido de carbono CO. c) Carbono sin quemar (hollín). d) Vapor de agua. e) Oxígeno sin consumir. f) Nitrógeno y sus derivados NOx. g) Óxidos de azufre (S02 , SO/ Para conocer el exceso de aire con el que trabaja una caldera en función de las con centraciones de oxígeno y de C02 de los humos que dan los analizadores de combustión existen fórmulas empíricas tales como:
n=-
3,76 X % 02
-------
1-% (02 -4,76
X
% 02
3.2. ANALIZADORES DE GASES DE COMBUSTIÓN Para realizar el estudio de la combustión a través del análisis de los gases e inquemados de la misma, se emplean unos equipos denominados analizadores de gases. Los antiguos analizadores estaban basados en el análisis químico de una muestra de los humos, tomada por succión a través de un orificio practicado en la chimenea. Los más modernos, basados en fenómenos ópticos, pueden analizar los gases a su paso por la chimenea, proporcionando los valores de las concentraciones de los mismos e incluso y además valores de su temperatura y el rendimiento de la combustión en una pantalla.
3.2.1. Medición del C02, 02 y opacidad
63
El equipo antiguo emplea el método ORSAT de medida volumétrica efectuando la absor ción de la muestra de gas por medio de una solución química que actúa como indicadora de la concentración del gas analizado. El sistema consta de dos equipos, uno para la
62
medición del 02 y otro para la medición del C02 , además de una bomba para el análisis del negro de humo de los gases con una escala de Bacharach para calcular el nivel de pérdidas por inquemados, como muestra la Figura 3.2.
Figura 3.2. Analizador de la combustión antiguo.
El análisis de ennegrecimiento y opacidad de los gases de combustión solo tiene sen tido cuando se trabaja con combustibles sólidos o líquidos. Para la toma de la muestra se emplean bombas de succión, haciendo pasar la muestra a través de un papel filtro especial, en el papel se forma una mancha circular, cuyo color puede variar del negro al blanco, la tonalidad está relacionada con la cantidad de inquemados sólidos contenida en los humos. La mancha obtenida se compara con una serie de manchas patrón que cons tituyen la escala de Bacharach (Tabla 3.2) que actúan de testigos numerados (escalas) y que son de intensidad creciente. Además, existe la escala de Ringelmann, pero se emplea para el control de la contaminación atmosférica. Tabla 3.2. Escala del índice de Bacharach. N. º de Bacharach
Características de la combustión
l
Excelente. Hollín prácticamente nulo.
2
Buena. Hollín presente en valores muy reducidos.
3
Mediana. Hollín presente en cantidad que requiere una limpieza anual.
4
Pobre. El humo empieza a ser visible y se aprecia un ensuciamiento rápido.
5
Muy pobre. La cantidad de hollín hace necesarias varias limpiezas anuales.
manual práctico del operador de calderas industriales
3.2.2. Medición del CO La medición del CO en los humos está particularmente indicada en los combustibles ga seosos, ya que a simple vista es imposible detectarlo, como ocurre en los combustibles líquidos y sólidos, donde la presencia de inquemados es visible por la aparición de humos negros; en cambio en los gaseosos, el único signo es la tonalidad de la llama, criterio un tanto subjetivo y nada fiable. Para medir la concentración de CO se empleaban métodos basados en la oxidación y coloración química. Se hace una toma de muestra de humos, que se introduce en un tubo que contiene una sustancia que al reaccionar se oscurece en una longitud que es proporcional al contenido de CO en la muestra. En la actualidad, para analizar los gases a su paso por la chimenea se emplean sondas acopladas a elementos electrónicos, que permiten medir las concentraciones de cada gas de los humos, e incluso simultáneamente valores de la temperatura, ofreciendo en una pantalla el rendimiento de la combustión. Un ejemplo de estos medidores actuales se muestra en la Figura 3.3.
Figura 3.3. Analizador de la combustión moderno.
Combustión
3.3. TIRO NATURAL Y TIRO FORZADO El tiro, en general, es la facilidad o dificultad para conducir los humos desde el interior de la caldera hacia el exterior.
3.3.1. Tiro nat ural La depresión que se origina en la parte baja de la chimenea, por la diferencia de presio nes creadas por los humos contenidos en la misma y la columna de aire exterior, igual altura que la chimenea ( H), está causada por la menor densidad de los humos calientes y la densidad del aire ambiente, que es más frío. Como la presión exterior ( P) es mayor que la que hay interior en la base de la chime nea (P), los humos experimentan un empuje que tiende a evacuarlos en sentido ascen dente por la chimenea; este empuje se conoce como tiro natural (Figura 3.4).
Figura 3.4. Tiro natural.
La diferencia (Pe _ P) es la debida a la diferencia de pesos entre la columna de los gases calientes que forman el circuito de los humos y una columna de aire exterior de igual altura. Este tiro natural, así definido, depende principalmente de la altura de la chimenea y por tanto es mayor cuanto mayor es su altura (H).
3.3.2. Tiro forzado Cuando el tiro natural no es suficiente para sacar los humos del interior de la cámara de combustión y evacuarlos al exterior, por cuestiones constructivas o por pérdida de carga de los humos en el circuito, se recurre a ventiladores centrífugos (soplantes), en distin65
tas posiciones relativas respecto de la caldera, según las necesidades y que dan origen a distintos tipos de tiros y crean distintas condiciones de presión en el hogar, como se muestra en la Figura 3.5. Hogar en sobrepresión
Hogar equlllbrado
Hogar en depresión
( i
l
'
••
Una vez vistas unas nociones generales sobre calderas, esta unidad muestra más en profundidad, lo que es una caldera pirotubular, incidiendo en las partes de que consta y en algunos ejemplos de las fases constructivas reales de la fabricación de una caldera pirotubular. Esto permite al lector un conocimiento más profundo de la caldera con la que va a trabajar,consi guiendo así una óptima y segura operación.
Contenidos 4.1.Definición y principio de funcionamiento 4.2.Partes de una caldera pirotubular
manual práctico del operador de calderas industriales
4.1. DEFINICIÓ N Y PRIN CIPIO DE FU N CIO N A MIENTO Una caldera pirotubular es un recipiente metálico, comúnmente de acero, de forma ci líndrica o semicilíndrica, atravesado por grupos de tubos, por cuyo interior circulan los gases de combustión, que ceden el calor al agua que baña el exterior de los mismos. Los humos calientes procedentes del tubo hogar pasan por los tubos pasadores, cambiando de sentido en la cámara de hogar y en la caja de humos delantera hasta salir por la chimenea. A través de este recorrido ceden gran parte de su calor al agua que los envuelve, vaporizándose una parte, que se acumula en la parte superior del cuerpo de presión en forma de vapor saturado. Esta vaporización del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y que se visualiza en el manómetro. Todos estos procesos ocurren tal y como se muestran en la Figura 4.1. Vapor
Figura 4.1. Sección de una caldera pirotubular.
La resistencia de los materiales limita su tamaño (sus dimensiones llegan a ser 5 m de diámetro y 10 m de largo), pudiendo llegar a producir vapor sobrecalentado hasta 25 Tm/h a 450 ºC y 25 kg/cm2 , con rendimientos de combustión en torno al 90 %. También limita su tamaño el peligro, en caso de explosión o ruptura, por el gran volumen de agua almacenada. Pueden trabajar con todo tipo de combustible (sólido, líquido o gaseoso). Estas calderas presentan ciertas ventajas frente a las acuotubulares: 80
Disposiciones generales constructivas en calderas • Capacidadpirotubulares de soportar fluctuaciones de cargas bruscas, con ligeras variaciones en la presión, debido a la gran cantidad de agua almacenada.
81
• Bajo coste inicial. • Bajo coste de mantenimiento. • Simplicidad en la instalación, que solo exige la cimentación y el interconexionado de la caldera.
4.2. PARTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR Los elementos fundamentales de los que consta una caldera pirotubular se muestran en la Figura 4.2.
Carcasa exterior (1) \
'·
Caja de humos (6)
'. \
\
Tubo del hogar (3)
°'
H a z tubular (5) Placa tubular (2)
Figura 4.2. Elementos fundamentales de una caldera pirotubular.
A continuación se analizan cada una de las partes de la caldera que aparecen en la figura anterior:
Carcasa exterior o virola (1) Es la envolvente de la caldera, que es de forma cilíndrica y está calorifugada para evitar pérdidas de calor y por seguridad.
Placas tubulares (2) Son las placas laterales de la caldera que junto con la carcasa exterior forman el cuerpo de presión. Tanto la placa delantera como la trasera van soldadas a la carcasa exterior.
Tubo de hogar (3) Es el recinto donde tiene lugar la combustión, y por ello es el elemento principal de la caldera. Los tubos de hogar adoptan dos formas, lisos con anillos de dilatación o bien ondulados, para absorber los efectos de la dilatación. Es la parte más importante y más delicada de la caldera; de su forma geométrica de pende que pueda realizarse una buena formación de llama. Además, por estar sometido a la acción de la llama y a una elevada temperatura, es necesario dotarle de la resistencia y dilatabilidad necesarias para que cumpla con las normas de seguridad correspondientes. Los hogares suelen ser de forma circular, soportados entre la placa frontal de la cal dera y la placa delantera de la cámara de hogar.Se diseñan de forma cilíndrica alargada para que sea envolvente de la llama, debiendo ser su longitud superior a la de la llama, para que la combustión se complete en su interior. Existen dos tipos de hogar: a) Hogar liso: es un cilindro de pared lisa cuya dilatabilidad se obtiene conforman do en sus extremos una forma ondulada o añadiendo en su pared intermedia una o más ondas de dilatación (Figura 4.3).
Figura 4.3. Fase de construcción de una caldera pirotubular.
No se permite que el espesor sea superior a 22 mm, para que la temperatura de la chapa no supere valores determinados a la calidad del material empleado en su construcción. Y pueden llevar anillos rigidizadores para aumentar su resistencia. b) Hogar ondulado: es también un cilindro en el que su generatriz sigue una curva sinuosa en forma de ondas de diversos tipos (Figura 4.4).
Figura 4.4. Detalle de un hogar ondulado y frontal de tubos de humos de una caldera pirotubular.
Con esta disposición se logra la dilatabilidad y rigidez necesaria, aunque en de terminados casos de condiciones extremas de servicio de la caldera, pueden in cluirse rigidizadores circulares similares a los indicados para hogares lisos. En las revisiones periódicas que deben realizarse a los hogares es muy importan te controlar la corrosión y el ovalamiento.
Cámara de hogar (4) Es el elemento que recibe los humos procedentes del tubo hogar. Las elevadas tempera turas a las que se encuentra es un factor importante de diseño a tener en cuenta para que haya una adecuada refrigeración. Dependiendo de su diseño y en función de cómo esté refrigerada por el agua, la cámara de la caldera se denomina: • De cámara seca: si la cámara del hogar no está refrigerada. 83
• De cámara semi-seca: si la cámara del hogar está parcialmente refrigerada. • De cámara húmeda: si la cámara del hogar está totalmente refrigerada.
Disposiciones generales constructivas en calderas pirotubulares
Haz tubular (5): tubos pasadores y tubos tirantes En principio todos los tubos tienen la misión de pasar los gases de la combustión de una caja de humos a otra, por ello reciben el nombre de tubos pasadores y van unidos a las placas tubulares de forma simple (soldados o mandrilados) para asegurar la estanqueidad. Como las placas tubulares suelen estar conformadas de forma plana, que es poco resistente a las deformaciones cuando la caldera está sometida a presión, para evitar las deformaciones y aumentar su resistencia, dichas placas se atirantan, utilizando para ello algunos o todos los tubos de humos. Estos tubos reciben el nombre de tubos tiran tes, que por el trabajo que realizan, deben estar unidos a las placas tubulares siempre con soldadura, y su espesor, normalmente, debe ser superior a los tubos pasadores (en ningún caso pueden emplearse tubos de espesores inferiores a 2,5 mm). Los tubos del haz tubular se fijan a las placas tubulares dependiendo de: • Si todos los tubos son tirantes: el expansionado producido por el mandril será fuerte y se terminará con cordón de soldadura de sellado o estanqueidad. • Si solo parte de los tubos son tirantes: - Para los tubos tirantes: el expansionado producido por el mandril será fuerte y se terminará con cordón de soldadura de sellado o estanqueidad. - Para los tubos pasadores: el expansionado producido por el mandril será fuerte o soldado. • Si no hay tubos tirantes: Cada uno de los tubos del haz tubular estará fijado a las placas mediante mandrilado-soldadura o solamente por soldadura. En todos los casos, los tubos deberán sobresalir como máximo de las placas del hogar 3 mm y 6 mm en las restantes placas tubulares. Solamente en las calderas pirotubulares verticales, el haz de tubos deberá estar constituido por tubos de acero sin soldadura y deberán sobresalir con un resalte no infe rior a 6 mm ni superior a 16 mm. Dichos tubos irán soldados a las placas por soldadura con chaflán en "X" (soldados por ambas caras).
Cajas de humos (6) Son compartimentos donde se recogen los gases de combustión procedentes del haz tu bular y los reconducen al siguiente paso de tubos o a la chimenea. Estas cajas de humos pueden estar situadas en el interior de la caldera (formando parte de la superficie de calefacción) o en el exterior (salida a la chimenea). Suele haber dos, delantera y trasera. Las cajas de humos disponen de puertas frontales al haz tubular.Estas puertas llevan bisagras atornilladas con el objeto de permitir bien su fijación estanca o su giro para las limpiezas periódicas de hollín, revisiones periódicas o mantenimiento (sustitución de algún tubo dañado). Tanto las cajas de humos como las puertas son de acero y están convenientemente aisladas con una argamasa de cemento refractario con vermiculita.
Disposiciones generales constructivas en calderas pirotubulares
Otros elementos Además de los elementos descritos, hay otros elementos de arriostramiento que absor ben las tensiones y las dilataciones debidas al calentamiento de la estructura y elemen tos como registros y puertas que no se muestran en la Figura 4.1, pero ayudan a un buen diseño de la caldera. Algunos de estos elementos son los siguientes: Atirantado: barras tirantes, virotillos y cartelas Otras formas de reforzar las superficies planas contra las deformaciones producidas por las presiones interiores es a través de barras tirantes, virotillos y cartelas. • Barras tirantes: son barras de acero conformadas en caliente y sometidas a tra tamiento de normalizado (consistente en calentar la barra a una temperatura de 40 ºC a 50 ºC por encima de la temperatura crítica, 800 ºC a 900 ºC) y una vez que todo el metal haya pasado al estado austenítico, se deja enfriar al aire que unen mediante soldadura las placas que atirantan. Las barras tirantes son los ele mentos que absorben los esfuerzos mecánicos a que se ven sometidas las placas tubulares. Como los tubos tirantes, también van soldadas a las placas tubulares. Están intercaladas igualmente entre los tubos pasadores. • Los virotillos: son barras de acero que atirantan las cajas de hogar con la pared posterior de la caldera, pueden ir atornillados, mandrilados y soldados por el lado de fuego. Se emplean para atirantar cuando la distancia entre las superficies pla nas es pequeña. • Las cartelas: son placas de chapa de forma triangular que unen las placas fronta les y traseras con la envolvente, normalmente sustituyendo a las barras tirantes, dejando con ello un mayor espacio libre en las calderas para su inspección, limpie za y mantenimiento. Puertas de registro: agujero de boca de hombre, agujero de cabeza, agujero de mano y expansión de gases Para diseñar una caldera es muy importante tener en cuenta una serie de registros o puertas, ya sea al lado del fuego como al lado del agua, que permitan la accesibilidad de las distintas partes de las mismas, bien para su inspección y limpieza o para su mante nimiento. • En el lado del fuego, además de las puertas de cajas de humos (vistas anterior mente) existen en el hogar otras puertas, bien de carga de combustible (com bustibles sólidos) o bien de acoplamiento del quemador (combustibles sólidos, líquidos y gaseosos). También existe un tipo de puertas llamadas de expansión de gases que permiten evacuar cualquier sobrepresión que se produzca en el hogar. En calderas que utilizan combustibles sólidos suelen existir además las puertas cenicero que permiten la extracción de los residuos de la combustión.
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manual práctico del operador de calderas industriales • En el lado del agua, existen una serie de puertas de forma circular o elíptica, que permiten la inspección y limpieza de la caldera. Según su tamaño se denominan:
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- Entradas o bocas de hombre (permiten la entrada de una persona), suelen es tar situados en los fondos del cuerpo cilíndrico o, también, cuando las calderas son de gran cámara de agua, en las superficies laterales. Las dimensiones mí nimas son de 320 x 420 mm o de diámetro interior no inferior a 420 mm. - Agujeros de cabeza (permiten la entrada de la cabeza de una persona), son aberturas de 220 x 320 mm de sección mínima o diámetro interior no inferior a 320 mm. - Agujeros de mano (permiten la entrada de la mano de una persona), son aber turas de 80 x 100 mm de sección mínima o de diámetro interior no inferior a 100 mm. En la Figura 4.5 se muestran dos puertas de registro.
Figura 4.5. Puertas de registro.
En todos los casos, los agujeros deben cerrarse herméticamente por medio de una junta interior y tornillos de sujeción M30 según DIN 983. Para realizar la inspección visual de la llama o de cualquier otra parte del hogar, exis ten unas mirillas en las puertas delanteras con aberturas de diámetro igual o superior a 50 mm. También existen otras formas de inspección visual como son las correspondientes sa lidas de vapor,aireación, drenaje, purga, alimentación de agua, válvulas de seguridad, etc.
••
Esta unidad muestra, ya más en detalle, lo que es una caldera acuotubular,incidiendo en las partes de que consta. Como estas calderas son más complejas que las pirotubulares, se explica cómo son las más habi tuales y se citan algunos tipos cuya aplicación es para casos muy concretos. De igual forma que en la unidad anterior,el lector podrá adquirir un conocimiento más profundo de la caldera con la que va a trabajar,consiguiendo así una óptima y segura operación.
Contenidos 5.1.Calderas acuotubulares 5.2.Calderas verticales. Tubos Field.Tubos pantalla parallamas 5.3.Calderas de vaporización instantánea. Serpentines. Separadores de vapor 5.4.Calderas de agua caliente y sobrecalentada 5.5.Calderas de fluido térmico
manual práctico del operador de calderas industriales 5.1. CALDERAS ACUOTUBULARES Las calderas acuotubulares son las que están formadas por una red de tubos, por cuyo interior circula el agua que se pretende calentar.
5.1.1.
Principio de funcionamiento
En la Figura 5.1se muestra un esquema con el principio de funcionamiento. Vapor
Tubos de bajada / / / ,
Aporte .
de calor
......
-+- Agua de alimentación
/ ,/ Tubos de subida Purgas
Figura 5.1. Esquema simplificado de funcionamiento de una caldera acuotubular.
Al tener el agua caliente menos densidad que el agua fría se produce una circulación desde el domo inferior al domo superior.En esta circulación, el agua absorbe el calor ge nerado por combustión en el hogar, calentándose e incluso vaporizándose, ascendiendo al domo superior,donde se separa en dos fases, la fase vapor sale al exterior del domo y la fase líquida desciende al domo inferior,donde se une al agua de alimentación, volvien do a repetirse el ciclo.
5.1.2.
Parámetros de funcionamiento y características generales de trabajo
En este apartado se muestran ciertos parámetros de funcionamiento y características generales de las calderas acuotubulares y la demostración de por qué con estas se pue den conseguir presiones, temperaturas y caudales mayores que con las pirotubulares.
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Disposiciones generales constructivas en calderas • La temperatura del vapor sobrecalentado generado por este tipo de calderas acuotubulares puede llegar a 550 ºC y las presiones de utilización alcanzan valores entre 35 y 185 kg/cm2 •
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• La producción de vapor de este tipo de calderas está comprendida entre las 20 y 200 Tm/hora, con un rendimiento de combustión del orden del 90 %. • Como en el caso de las calderas pirotubulares, las calderas acuotubulares pueden ir equipadas con parrilla para la utilización de combustibles sólidos. • Sus formas constructivas son muy diversas, pero generalmente llevan dos o más domos unidos entre sí por tubos que forman el haz vaporizador. • El hogar es una zona formada por paredes de tubos y refractarios que puede ubicarse en el interior de la caldera formando una unidad (combustibles líquidos y gaseosos) o en el exterior (combustibles sólidos). • Sus formas geométricas varían en función del número de colectores y de la dis posición de estos, así como de la incorporación a la misma de sobrecalentadores, recalentadores y economizadores, dependiendo de la potencia, producción de va por, presión de servicio o tipo de combustible. • Como los domos no necesitan tener ninguna superficie tubular de calefacción, pueden fabricarse en diámetros mucho más bajos que el de la virola de las calde ras pirotubulares y, por eso, las calderas acuotubulares soportan presiones mu cho más altas que las pirotubulares. Partiendo de la ecuación: pmax ªadmisible
=
2
X
X
e
D
Donde: tensión admisible (es una constante del material: 1.450 kg/cm2 para cham1s1 1e pa de acero dulce) Pmáx: presión máxima que puede soportar D: diámetro del cilindro e: espesor de la chapa del cilindro Como la tensión admisible es una constante (solo depende del tipo de material), sabiendo que el espesor tiene un límite (la disipación del calor desde el lado hu mos al lado agua), todo lo que pueda disminuirse el diámetro puede emplearse en subir la presión diseño, con la condición de que el valor del producto del espesor por la presión siga siendo el mismo.
ad
ª
. .b :
5.1.3. Partes de una caldera acuotubular Las partes principales de una caldera acuotubular se muestran en la Figura 5.2, mientras que las partes opcionales, tan solo se citan y describen.
Vapor sobrecalentado Agua de alimentación Vapor saturado
(2)
(2)
(7)
1 1 1
\.........../ Gas
t Aire
Purgas Figura 5.2. Esquema de las partes fundamentales de una caldera acuotubular.
Domos o calderines (1) Son depósitos donde se acumula agua y/o vapor. Son el equivalente a los cilindros de las calderas pirotubulares, pero al no tener ninguna superficie tubular de calefacción, pueden fabricarse en menores diámetros y,por consiguiente, pueden soportar presiones más altas, porque, en el caso de las calderas acuotubulares, la superficie de calefacción está en los haces tubulares. El domo (o domos) superior dispone en su interior de elementos que permiten elimi nar las gotas de agua y sedimentos, purificando el vapor que va al proceso. El domo (o domos) inferior está dotado de una válvula de purga para controlar el contenido en sales del agua de caldera y para eliminar los sedimentos que puedan pro ducirse.
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Dentro de las distintas configuraciones de calderas acuotubulares, las hay que tie nen dos, tres o cuatro domos, aunque lo más frecuente es que tengan un domo inf erior y el resto en la parte superior. También hay calderas de tres domos distribuidos en forma de triángulo, dos en la parte inferior y otro en la parte superior. Los domos superiores almacenan agua y vapor existiendo entre ambas fases un separador, que solo deja pasar el vapor. Desde estos domos superiores, el vapor va al proceso como vapor saturado o como vapor sobrecalentado (en este caso, el vapor pasa antes por un sobrecalentador).
Haz vaporizador (2) Está constituido por los tubos de subida y de bajada en la zona de convección de la cal dera (por eso también se llama haz de convección). Su misión es permitir la circulación del agua de la caldera desde el domo inferior al superior y viceversa. Su número y distri bución depende del número de domos, así como de la incorporación de las superficies de intercambio de calor, tales como economizadores, sobrecalentadores, recalentadores o precalentadores de aire, etc. Los tubos de subida llevan una mezcla agua-vapor hacia el domo superior y los de bajada solo llevan agua al domo inferior.El número de tubos de subida y bajada depende del diseño y régimen de la caldera. Cuando el régimen es bajo solamente actúan como tubos de subida los más próximos al hogar, que son los que reciben directamente el calor radiante de la llama. Cuando el régimen de la caldera aumenta, se incorporan al intercambio de calor los tubos llamados "de transición", situados entre los anteriores y los estrictamente de bajada. Los tubos del haz de convección se disponen de tal manera que una parte de los mis mos (los más calientes) actúan como elemento de subida del fluido y el resto (los menos calientes) como elemento de bajada del fluido ("efecto de convección"). Por los tubos de subida el agua recibe el calor de los humos, alcanzado la temperatu ra de saturación, por lo que se forma una mezcla de agua y vapor que asciende hasta el domo superior de la caldera. La menor densidad del agua a la temperatura de saturación en los tubos de subida establece la fuerza de circulación por convección (convección na tural). La circulación puede ser también forzada, siendo en este caso de tubos inclinados o de tubos verticales. En las calderas que trabajan con altos regímenes de combustión, los tubos de la parte anterior del hogar (zona próxima al fuego) son de mayor diámetro con el
objeto de aumentar el flujo de agua, porque el alto gradiente térmico en estas superficies permite una tasa alta de transferencia de calor. Los tubos del haz vaporizador se fijan a los domos o a los colectores mediante man drilados, soldadura o combinación de ambas.
manual práctico del operador de calderas industriales
Colectores (3) Son elementos que por necesidades constructivas o de diseño reciben el agua de varios tubos y salen con un único tubo de salida hacia el domo. Según el diseño de la caldera, no todos los tubos del haz vaporizador pueden conectarse a veces a los domos. En estos casos, los tubos se conectan a los colectores que hacen de conexión intermedia (Figura 5.3). Domo superior
Colectores (3)
Figura 5.3. Esquema de conexión de calderines al domo superior.
La distribución de los tubos en el colector puede hacerse de forma regular o irregu lar. Si la distribución es regular puede hacerse en línea, a tresbolillo (formando triángulos equiláteros) o en dientes de sierra. Los colectores pueden ser de acero forjado o sin soldadura. Cuando son sin soldadu ra, sus extremos van cerrados por medio de tapones a rosca, con bridas atornilladas o soldadas o con fondos embutidos. No se deben utilizar tornillos en las partes expuestas a la acción de los gases de combustión.
H ogar (4) Es la zona donde tiene lugar la combustión. Las paredes del hogar pueden ser de material refractario (paredes calientes), o de una parte de los tubos del haz de tubos (paredes frías). Los hogares con paredes mixtas combinan ambos tipos. La Figura 5.4 muestra distintas fases constructivas del hogar de una caldera acuotubular. El hogar puede ubicarse en el interior de la caldera, formando una unidad con esta y también en el exterior de la misma, con la correspondiente
92
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares comunicación con la caldera. Este es el caso de determinados combustibles
sólidos, en el que el hogar está en el exte-
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rior de la caldera, comunicando ambos con una cámara de radiación interior a la caldera en donde se ubica un quemador, alimentado por combustibles líquidos o gaseosos.
Sobrecalentador
Figura 5.4. Fases constructivas de una caldera acuotubular.
Pantallas (5) Son elementos colocados en el circuito de humos para guiar su recorrido.
Sobrecalentador (6) Es el elemento encargado de elevar la temperatura del vapor por encima de la de sa turación y está formado por un sistema de tubos sobre el que inciden los humos más calientes. Hay dos tipos de sobrecalentadores: • Integrales: forman parte de la caldera o generador de vapor. Según sea la zona de la caldera en la que están situados, pueden ser: - Sobrecalentadores por convección. - Sobrecalentadores por radiación. - Sobrecalentadores por radiación y convección.
• Independientes: disponen de un hogar especial con un quemador auxiliar, que puede estar conectado a una o varias calderas.
manual práctico del operador de calderas industriales Economizador (7)
El economizador es un elemento opcional de la caldera que recupera calor sensible de los gases de salida de una caldera para aumentar la temperatura del agua de alimentación. El economizador está formado por una sección de tubos, a través de los cuales pasa el agua de alimentación, que se calienta con los gases de combustión que pasan a través del haz de convección de la caldera. Los economizadores se fabrican con tubos de acero, normalmente en forma de ser pentín o en tubos de hierro fundido con aletas, circulando en ambos casos el agua por el interior de los tubos y los gases por su parte externa. La Figura 5.5 muestra los tubos de un economizador.
Figura S.S. Economizador en fase de construcción .
Los economizadores se clasifican: Por el tipo de material: a) De acero estirado sin aletas: para temperaturas de humos muy altas, con
gran des saltos térmicos y gran transferencia de calor. b) De acero estirado con aletas transversales de acero: formados por tubos li sos con aletas redondas o cuadradas unidas al tubo por soldadura o por encastre, por deformación en frío o en caliente. c) De acero con aletas de fundición: tienen las ventajas de la fundición frente a la corrosión ácida y las del acero en cuanto a la resistencia mecánica. Por su localización, los economizadores se clasifican en: a) De tipo integral:se caracterizan por tener baterías de tubos localizados dentro del cuerpo de la caldera. La Figura 5.6 muestra un economizador dentro de una caldera de postcombustión.
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
Planta de cogeneración en ciclo combinado 20Tm/h
Tanque de
200'C
alimentación
E.R.M.
Economizador
Turbina de gas
Caldera acuotubular Turbina de vapor 340'C
...., Fábrica 180'C
Reductora de presión
Atemperadora
Figura 5.6. Economizador integrado en una caldera acuotubular.
Los economizadores integrados, a su vez, pueden ser: • De un solo colector, que consta de un colector montado en su extremo infe rior,del que parten los tubos dispuestos en paralelo hacia la parte superior, en donde se conectan directamente al domo superior de la caldera. • De doble colector, que constan de un colector inferior y otro superior, conec tados entre sí por tubos. El agua de alimentación se introduce en el colector superior, de donde pasa por una sección de tubos hacia el domo inferior para pasar después al domo superior de la caldera. Las conexiones entre el econo mizador y la caldera incorporan un sistema de válvulas que permite aislar el economizador del sistema. Estos economizadores solo es posible colocarlos en las calderas acuotubulares. b) De tipo adyacente: se caracterizan por su construcción de tubos horizontales colocados en serpentines o hileras cerradas, dispuestos por lo general en forma alternada; los gases de la combustión fluyen transversalmente al eje longitudinal de los tubos. Estos economizadores están situados fuera de la caldera (acuotu bular o
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manual práctico del operador de calderas industriales pirotubular), formando una unidad independiente, y en el caso de calderas de tiro aspirado, antes del ventilador de extracción de gases.
10 0
En la Figura 5.7 se muestra una disposición en paralelo.
t
Humos
Economizador
Caldera
Agua de alimentación --+--
Figura 5.7. nstalación de un economizador.
Cada tipo tiene ventajas e inconvenientes, pero en ambos casos debe preverse una alimentación continua con el fin de eliminar posibles choques térmicos que puedan ocu rrir en una alimentación discontinua.
Calentador de aire (8) El calentador de aire es un intercambiador de calor,que sirve para precalentar el aire an tes de entrar en el quemador,aprovechando el calor residual de los humos antes de salir por la chimenea. En algunos casos también se emplea vapor residual en vez de humos. Se instala en el curso de la corriente de los humos de combustión, entre la caldera y la chimenea, o entre el economizador (si lo hay) y la chimenea. El aire para la combustión se calienta con los gases de escape, al ser impulsado a través del calentador por medio de un ventilador de tiro forzado.
Una configuración posible se muestra en la Figura 5.8.
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
tHumos Calentador
Caldera
Agua de alimentación
Figura 5.8. nstalación de un calentador de aire de combustión. o
. ü
ii
·¡; ro e
" '
(1
)
E l m a t e r i a l
manual práctico del operador de calderas industriales de los calentadores de aire puede ser acero, hierro for jado o vidrio construcción
Pyrex. Los calentadores de aire se clasifican de acuerdo con su principio de operación en: • Calentadores recuperativos: el calor a recuperar procedente de un fluido en movimiento (gases de escape, vapor, etc.) pasa a través de la superficie de inter cambio de calor hacia el aire más frío (también en movimiento). Ambos fluidos están completamente separados en todo momento. • Calentadores regenerativos: en este caso, una masa es térmicamente regene- rada por el paso de los productos de la combustión calientes, después de que ha sido enfriada por la corriente de aire.
d e
Si'
manual práctico del operador de calderas industriales
Recalentador (9) Es el elemento encargado de elevar la temperatura de un vapor procedente del proceso, sin entrar en la caldera. Cuando el vapor sale de la caldera, para trabajar en una máquina, normalmente la presión y temperatura descienden hasta el punto de saturación llegando incluso a la zona húmeda (título inferior a la unidad). Si se pretende reutilizar este vapor en otras máqui nas del proceso, sin volverlo a llevar a la caldera para calentarlo de nuevo se emplea un recalentador. Por tanto, su función es semejante a la del sobrecalentador, pero con el recalentador el vapor solo incrementa su temperatura, manteniendo la presión (normal mente desciende, debido a la pérdida de carga). Para el diseño del recalentador,la caída de presión se limita al 10 % en total (5 % a través del mismo y otro 5 % por pérdidas en válvulas y conexiones). Los recalentadores, al igual que los sobrecalentadores, también pueden clasificarse en: a) Recalentadores por convección. b) Recalentadores por radiación. c) Recalentadores por convección y radiación.
5.2. CALDERAS VERTICALES. TUBOS FIELD.TUBOS PANTALLA PARALLAMAS Las calderas verticales son calderas acuotubulares, de pequeña producción de vapor, en las que los tubos del haz de convección están situados al final de la cámara de combustión. La combustión en este tipo de caldera se realiza en su parte inferior,ascendiendo en un solo recorrido los gases de combustión hasta la chimenea y cruzando en su camino las diversas secciones de la superficie de calefacción de la caldera. La característica que distingue un tipo de caldera de otra es la situación de los tubos de convección, que pueden ser verticales colgados de una placa tubular superior y con su extremo inferior cerrado (tubos Field), cruzados respecto al sentido de circulación de los gases y con una ligera inclinación para facilitar la circulación natural del agua, y de tipo curvados conectados a la parte superior de la caldera que actúa como domo colector. Para la protección de los domos o de los sobrecalentadores se utilizan tubos pa rallamas situados sobre el hogar, para evitar que la llama alcance directamente a los tubos. También se utilizan otros dispositivos en hierro fundido, denominados igualmente parallamas.
98
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
Para evitar el tiro directo de la llama o de los gases de combustión a la chimenea, estos tubos parallamas obligan a los humos a circular a través de las superficies de ca lefacción de la caldera. En las revisiones periódicas y limpiezas debe verificarse la zona del plano de evapori zación del agua en el lugar en contacto con los gases de la combustión, por ser una zona sometida a mayor corrosión y esfuerzos térmicos que el resto de la caldera.
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5.3. CALDER AS DE VAPORIZACIÓN NSTANTÁNEA. SERPENTINES. SEPARADORES DE VAPOR Son calderas acuotubulares con un serpentín, calentado por una llama. El agua entra al serpentín por su extremo inferior, saliendo en forma de vapor por el extremo superior. El volumen de la caldera se diseña para conseguir alcanzar el punto de saturación del agua, partiendo de agua totalmente fría. Normalmente, se construyen para pequeñas producciones de vapor, aunque hay al gunas excepciones en las que se usan para grandes producciones de vapor: • Calderas de vaporización instantánea de serpentín: son para producciones de vapor de hasta 5 Tm/h. • Calderas de vaporización instantánea tipo Benson: son para grandes produc ciones (centrales térmicas), en las que se ha prescindido de domo. Podría ser un tubo calentado por una llama, en que el agua alimentada por un extremo sale en forma de vapor por el otro. La Figura 5.9 muestra dos calderas de vaporización instantánea, una horizontal y otra vertical.
Figura 5.9. Calderas de vaporización instantánea .
Como el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta en un corto espacio de tiempo, la caldera está lista para dar vapor en las condiciones requeridas casi de forma instantánea. En esta clase de calderas, el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el caudal de calor aportado y caudal de agua puede dar lugar a obtener agua caliente o vapor recalentado si no está bien controlado el aporte de calor.
En las calderas de evaporación instantánea de serpentín de pequeña producción, la disposición constructiva más usual es de dos o más serpentines en tubos de acero, situados concéntricamente o conectados en paralelo, recorridos en sentidos alternativos por los gases de combustión. El espacio interno del serpentín interior se comporta como el hogar de la caldera. Para evitar la formación de vapor recalentado, se suministra un ligero exceso de agua que además sirve para un continuo lavado de los tubos, arrastrando consigo las sales disueltas del agua de alimentación. Para que el vapor saturado de salida de la caldera sea seco, se instala un separador de vapor para eliminar del vapor el exceso de agua alimentado. Existen diversos tipos de separadores, pero el más habitual es el ciclónico, en que el vapor entra tangencialmente a un tubo vertical, separándose el agua del vapor por efecto centrífugo, evacuándose el agua por su parte inferior y el vapor por su parte superior.
5.4. CALDER AS DE AGUA CALIENTE Y SOBRECALENTADA Las calderas de agua caliente y sobrecalentada se construyen en tipos pirotubular y acuotubular,con potencias de hasta 300.000 kcal/h. Su utilización en la industria generalmente es para trabajar en circuitos de baja pre sión y temperatura. La Figura 5.10 muestra una batería de calderas de agua sobrecalentada.
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Figura 5.10. Calderas de agua sobrecalentada .
100
Disposiciones generales constructivas en calderas acuotubulares
Estas calderas presentan una serie de ventajas e inconvenientes respecto a las de vapor: a) Ventajas: • Se elimina el riesgo de fugas y pérdidas en purgadores. • No existen pérdidas de calor a causa de purgas de caldera, ni problemas aso ciados a su evacuación. • Se reducen los problemas de conservación de líneas a causa de la corrosión e incrustaciones. • El trazado de tuberías resulta más sencillo al no tener que considerar desnive les ni puntos de recogida de condensados. • Se eliminan gastos ocasionados por el tratamiento de agua. b) Inconvenientes: • Los equipos de intercambio de calor requieren de mucha más superficie y vo lumen con agua sobrecalentada que con vapor, lo que complica y encarece la instalación. • Para suministrar la misma cantidad de calor, con estas calderas se necesita más caudal de agua que la que se necesitaría con las de vapor. • Cuando se producen roturas en tuberías del equipo de agua sobrecalentada, se produce una disminución de la presión y como consecuencia una brusca evapo ración de la masa de agua sobrecalentada, con el riesgo de accidente, al aumen tar extraordinariamente el volumen de forma prácticamente instantánea.
5.5. CALDERAS DE FLUIDO TÉR MICO Son calderas que se emplean en procesos que requieren altas temperaturas con pre siones bajas o medias, por lo que usan fluidos térmicos diferentes al agua como fluido caloportante (el más común es el aceite). Las calderas empleadas son de tubos en forma de serpentín, de dos o tres serpen tines concéntricos, y en el centro se aloja la llama que cede principalmente su calor por radiación a los tubos. Las temperaturas utilizadas con fluidos térmicos oscilan entre 250 ºC y 400 ºC, sien do esta una gran ventaja frente al vapor,puesto que alcanzar estas temperaturas implica muy altas presiones en vapor,en que el coste de la instalación de las calderas de vapor es mayor que con las de fluido térmico. Sus inconvenientes son la toxicidad de los fluidos térmicos, los riesgos de inflamabi lidad y autoignición, y su coste de reposición que, a pesar de su duración, es mayor que el agua. La Figura 5.11muestra una caldera de fluido térmico.
Figura 5.11. Caldera de fluido térmico.
102
•• Esta unidad muestra los diferentes elementos anexos a la caldera que permiten su correcto funcio namiento, dando detalles en muchos casos para que el operador tenga las nociones necesarias de los mismos y sea capaz de manipularlos de una forma lógica.
Contenidos 6.1. Concepto 6.2.
Válvulas de paso o interrupción: asiento y compuerta
6.3.
Válvulas de retención: de asiento, de clapeta y de disco
6.4.
Válvulas de seguridad
6.5.
Válvulas de descarga rápida
6.6.
Válvulas de purga continua
6.7. ndicadores de nivel: grifos y columnas 6.8.
Controles de nivel por flotador y por electrodos
6.9.Limitadores de nivel termostáticos 6.10.
Bombas de agua de alimentación
6.11.
nyectores de agua
6.12.
Caballetes y turbinas para agua de alimentación
6.13.
Manómetros y termómetros
6.14.
Presostatos y termostatos
6.15.
Quemadores
6.16.
Elementos del equipo de combustión
6.17.
Estación de regulación y medida para gas
manual práctico del operador de calderas industriales
6.1. CONCEPTO Los accesorios son todos aquellos elementos que sin formar parte de la caldera propia mente dicha están relacionados con la misma, porque son necesarios para su operación, control, mantenimiento, seguridad y eficiencia de operación.
6.2. VÁLVULAS DE PASO O INTERRUPCIÓN: ASIENTO Y COMPUERTA Las válvulas de paso son las que permiten o interrumpen el paso de caudal de fluido a través de las tuberías o conductos de la caldera. Las hay de varios tipos:
Válvulas de asiento (también llamadas de globo) Son aquellas en las que el cierre se consigue mediante un vástago que desciende hasta un asiento metálico cuando se gira el volante en el sentido horario. Para abrir la válvula, se eleva el vástago, distanciándolo de su asiento mediante un movimiento en sentido antihorario (Figura 6.1).
Figura 6.1. Conjunto y detalle de una válvula de asiento.
Válvulas de compuerta Disponen de una compuerta desplazable (mortaja) con relación a la trayectoria que sigue el fluido en la tubería donde se encuentra instalada la válvula. Pueden ser de tajadera y de bola o de sector de bola (Figura 6.2).
Accesorios y elementos adicionales para calderas
Válvulas de tajadera
Vtllvula de sector de
bola Figura 6.2. Válvulas de compuerta.
Observaciones importantes • Excepto las válvulas de seguridad y las de unión con sobrecalentadores y reca lentadores, entre la conexión de salida de vapor y la conexión de llegada de vapor debe haber una válvula de interrupción lo más cerca posible de la caldera y en un punto con acceso fácil y cómodo a la válvula. Además, dicha válvula debe indicar, de forma clara, el estado de apertura o cierre de la misma. • Las calderas de vapor saturado y sobrecalentado y los recalentadores disponen de una válvula para interrumpir la salida del vapor. Los recalentadores de vapor dispondrán además de una válvula de seccionamiento en la tubería de entrada de vapor. • Estas válvulas deben ser de cierre lento, de fácil maniobra y con husillo exterior, y la velocidad de salida del vapor a través de ellas para la máxima producción en régimen continuo no debe sobrepasar 30 mis para el caso de vapor saturado y 50 mis en el caso de vapor sobrecalentado y recalentado. • Cuando hay varias calderas en paralelo, cada una de ellas debe llevar válvulas de interrupción en el circuito principal de agua para incomunicar la caldera con la instalación en el caso de avería o limpieza. • En calderas de agua caliente, la instalación de válvulas de cierre o separación entre las tuberías de subida y bajada de la caldera se hará de manera que se asegure la unión de la caldera al vaso de expansión, incluso con válvulas cerradas. Además se dispondrá de una válvula de paso en el circuito de alimentación. • Las calderas manuales que emplean combustibles líquidos o sólidos pulverizados dispondrán de válvulas de interrupción manual para cortar la aportación calorífica procedente del combustible. • En las calderas automáticas de vigilancia directa que utilicen combustibles líqui dos o sólidos pulverizados, en la entrada del combustible al quemador deberá ir colocada una válvula de cierre manual, además de las correspondientes válvulas de cierre automático.
manual práctico del operador de calderas industriales
105
Accesorios y elementos adicionales para calderas
6.3. VÁLVULAS DE RETENCIÓN: DE ASIENTO, DE CLAPETA Y DE DISCO Las válvulas de retención (antirretorno) son las que permiten el paso del fluido en un sen tido. El elemento incorporado para retener o impedir el retroceso del fluido es un vástago que apoya en su asiento, en una clapeta o en un disco (Figura 6.3). Sentido del flujo
¡g +-++--Muelle
=;; 0,5 a 20
> 20
Agua de relleno para calderas de agua caliente Intervalo total
Clara, libre de sólidos en suspensión No especificada , solo hay valores guía correspondientes al agua de caldera , véase la Tabla 5.2
-
> 9 ,2 (b)
> 9,2(b)
> 7,0
mmol/1
< 0,01 7,0
< 0,01
< 0,005
-
< 0,05
< 0,010
-
No se especifica, solo valores guía para el agua de caldera correspondiente, véase la Tabla 5.2
µS/cm
Conductividad ácida a 25 ºC C•>
µS/cm
-
-
-
> 9,2( 40 a 100
Agua de alimentación y agua desmineralizada de pulve1ización del desrecalentad01·
Concentración de sodio y de potasio (Na+ + K+)
mg/1
-
-
Concentración de hierro (Fe)
mg/ 1
< 0,050
< 0,030
< 0,020
< 0,020
< 0,2
Concentración de cobre (Cu)
mg/ 1
< 0,020
< 0,010
< 0,003
< 0,003
< 0,1
Concentración de sílice (Si02)
mg/ 1
No se especifica, solo valores guía para el agua de caldera c01respondiente, véase la Tabla 5.2
< 0,020
-
Concentración de oxígeno O
mg/ 1
< 0,020(Q
< 0,020
< 0,020
< 0,1
-
Concentración de aceite/ grasa (véase la N01ma EN 12952-7)
mg/ 1
20 40 a 60
> 0,5 60 8(d)
9,0 + ll,5(•)
Alcalinidad
nunol/1
1+ 15
