Informe Calderas (CALD) (2014)

Trabajo Español
Universidad Instituto Químico de Sarriá (IQS)
Grado Ingeniería en Tecnologías Industriales - 2º curso
Asignatura Termodinàmica
Año del apunte 2014
Páginas 18
Fecha de subida 30/09/2014
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CALD – Servicio de vapor Termodinámica 26/11/2013 Grupo 4.1 Juan Galofré Maristany Nil Postius Echeverri Elena Baltá Vila Universidad Ramón Llull – IQS School of Engineering ÍNDICE 1. Introducción y objetivos ................................................................................ pág. 3 2. Generadores de vapor 2.1 Definición ........................................................................................................pág. 4 2.2 Clasificación ....................................................................................................pág. 4 2.3 Partes principales de las calderas ...................................................................pág. 6 2.4 Funcionamiento calderas de vapor ................................................................pág. 9 2.5 Aplicaciones ..................................................................................................pág. 10 2.6 Mantenimiento de las calderas ....................................................................pág. 10 3. Caldera de vapor del IQS 3.1 Funcionamiento del circuito de gas ..............................................................pág. 13 3.2 Funcionamiento del circuito de agua ...........................................................pág. 14 3.3 Seguridad en las calderas .............................................................................pág. 15 3.4 Esquema de la caldera ..................................................................................pág. 17 4. Bibliografia ................................................................................................... pág. 18 Pág. 2 Introducción y objetivos El objetivo principal de esta práctica es conocer el equipo de la caldera de vapor del Departamento de Ingeniería Química. Esto va a comportar, de forma indirecta, la comprensión de su funcionamiento y el recorrido que van a realizar el gas natural, el agua y el vapor.
Existen varios tipos de calderas, así como las de baja temperatura, las de gas, las eléctricas, o las de gasóleo, pero está práctica se va a centrar especial y únicamente en los generadores de vapor mediante gas natural. De tal forma que, a continuación, se va a definir dicho concepto y se van a puntualizar detalles como su funcionamiento genérico, los tipos de calderas de vapor que existen, su clasificación, o incluso, las aplicaciones de estos mecanismos.
Para terminar, se va a mostrar un esquema de la caldera de vapor que se dispone en el Departamento de Ingeniería Química junto a una explicación centrada en las principales características, su funcionamiento y el recorrido que van a ejercer los distintos compuestos que van a pasar por él.
Pág. 3 Generadores de vapor Definición La caldera se define como una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.
Según el decreto No 48/84 se define este dispositivo como un recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción del calor. Asimismo, la ITCMIE-AP01, puntualiza que la caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas una serie de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es un recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.
Las calderas o generadores de vapor tienen como objetivos principales. Por un lado el de generar agua caliente para calefacción y uso general y, por otro lado, producir vapor para plantas de fuerza, procesos industriales o calefacción.
Clasificación La clasificación general de las calderas, de acuerdo al mayor uso, sería la siguiente: - Dependiendo de la posición:  Horizontales  Verticales - Según la instalación:  Fija o estacionaria  Móviles o portátiles Pág. 4 - Atendiendo a la circulación de gases:  Recorrido en un sentido (de un paso)  Con retorno simple (de dos pasos)  Con retorno doble (de tres pasos) - De acuerdo a la presión del vapor que producen:  De baja presión (hasta 2 kg/cm2)  De mediana presión (sobre 2 kg/cm2 hasta 10 kg/cm2)  De alta presión (sobre 10 kg/cm2 hasta 225 kg/cm2)  Supercríticas (sobre 225 kg/cm2) - Atendiendo al volumen de agua que contiene:  De gran volumen de agua (más de 150 l/m2 de superficie de calefacción SC)  De mediano volumen de agua (entre 70 y 150 l/m2 de SC 1)  De pequeño volumen de agua (menos de 70 l/m2 de SC) - Según su utilización:  De vapor  De agua caliente - Dependiendo de la circulación del agua dentro de la caldera:  Circulación natural: el agua circula por efecto térmico  Circulación forzada: el agua se hace circular mediante bombas - De acuerdo con el tipo de combustible:  De combustible sólido  De combustible líquido  De combustible gaseoso Aunque la clasificación más aceptada es la siguiente: 1 - Pirotubulares o de tubos de humo: en estas calderas, los humos pasan dentro Nota 1: Se entiende por superficie de calefacción (SC) como la superficie total de planchas y tubos de la caldera que por un lado están en contacto están en contacto con los gases y por el otro con el agua que se desea calentar. La superficie de calefacción se mide por el lado de los gases.
Pág. 5 de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea. Este tipo de caldera es la utilizada en IQS.
2 - Acuotubulares o de tubos de agua: El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior.
Partes principales de las calderas En este punto se tratarán sólo aquellas partes generales relevantes propias del diseño de las calderas. Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de partes características. A continuación, se van a analizar las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento.
- Hogar o Fogón Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión. Los hogares se pueden clasificar en distintos tipos acordando a su ubicación, el tipo de combustible que usan, o bien, a su construcción. Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo componen uno o más tubos a los cuales se les da el nombre de “Tubo Hogar”.
- Puerta Hogar o Quemador Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador.
- Emparrillado Son piezas metálicas en forma de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del fogón y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire Primario que sirve para que se produzca la combustión.
Pág. 6 - Cenicero Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua.
- Puerta del cenicero Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero.
Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar, se recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objeto de evitar el retroceso de la llama (”Lengua de Toro”).
- Altar Es un pequeño muro de ladrillo, refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del fogón y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son básicamente tres. En primer lugar, impiden que caigan de la parrilla residuos o partículas de combustible. Por otro lado, ofrece resistencia a las llamas y gases para que éstos se distribuyan en forma de pareja a lo ancho de la parrilla y logren en esta forma una combustión completa. Por último, oponen resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia la chimenea. Con esto se va a lograr que entreguen todo su calor y salgan a la temperatura adecuada.
- Mampostería Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tienen como objeto cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor y guiar los gases y humos calientes en su recorrido. Para mejorar la aislación de la mampostería se dispone, a veces, en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan Pág. 7 el paso del calor. Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas y asbestos.
- Conductos de humo Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la combustión. De esta forma, se aprovecha el calor entregado por estos para calentar el agua y/o producir vapor.
- Caja de humo Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases, después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.
- Chimenea Es el conjunto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera.
Además tiene como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión.
- Regulador de tiro o Templador Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o mejor paso a la salida de los gases y humos de la combustión. Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente, se usa una combinación con la puerta del cenicero.
- Tapas de registro o Puertas de inspección Son aberturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera.
- Puertas de explosión Son puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de Pág. 8 combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Sólo son utilizables en calderas que trabajen con combustible líquido o gaseoso.
- Cámara de agua Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo.
- Cámara de vapor Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. Mientras más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara. En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua que lleva en suspensión. Por esta razón, algunas calderas tienen un pequeño cilindro en la parte superior de esta cámara.
- Cámara de alimentación de agua Es el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua. Durante el funcionamiento de la cámara, se encuentra ocupada por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua Funcionamiento de las calderas de vapor Las calderas de vapor funcionan mediante la transferencia de calor, producido generalmente al quemarse un combustible, el que se le entrega al agua contenida o que circula dentro de un recipiente metálico.
En toda caldera se distinguen dos zonas importantes: - Zona de liberación de calor o cámara de combustión. Es el lugar donde se quema el combustible. Éste puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.
Pág. 9 - Zona de tubos. Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por convección (gasesagua). Está constituida por tubos dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.
Aplicaciones La caldera es un aparato muy utilizado en la industria debido a las múltiples aplicaciones. En grandes trechos se utiliza para: - Esterilizar. En los hospitales era muy común encontrar una caldera para esterilizar el material médico. También en los comedores sociales para esterilizar los cubiertos.
- Para calentar fluidos. Por ejemplo en la industria petrolera es muy común calentar los petróleos pesados y así mejorar su fluidez.
- También son utilizados para generar trabajo mecánico. Por ejemplo en los trenes a vapor donde el vapor impulsa un eje mecánico que produce el movimiento de las ruedas.
- Generar electricidad a través de un ciclo de Rankine. Se puede decir que las calderas son una parte muy importante en las centrales termoeléctricas.
Mantenimiento de las calderas El adecuado mantenimiento de la instalación, tendrá como consecuencias una vida más larga, un funcionamiento deseado y unos gastos de explotación óptimos. Pero sobretodo, es la clave para un funcionamiento correcto. Es fundamental llevar un libro de registro en el que se anoten los datos de operación de la instalación y las anomalías, sus correcciones y las reparaciones. Es imprescindible que se designe un responsable de la instalación adecuadamente formado.
El personal responsable del servicio de calderas, debe atender las siguientes instrucciones: - Justificar su conocimiento de las prescripciones reglamentarias.
Pág. 10 - La instalación de la caldera debe conservarse limpia, estar bien iluminada y libre de cualquier objeto que no pertenezca a la misma.
- Cualquier anomalía en el funcionamiento deberá ser localizada y reparada de forma inmediata. Si el alcance de la avería no fuese realmente importante, se procederá a su reparación en la primera parada de la instalación.
- Independientemente de las pruebas periódicas establecidas por la Superioridad, se deberán realizar reconocimientos periódicos de la instalación de caldera y equipos auxiliares, recomendándose que un mínimo de dos reconocimientos sean efectuados por personal técnico ajeno a la conducción del generador.
- Las herramientas, accesorios y cualquier utensilio que sea necesario para el servicio, deberán estar ordenados y colocados en lugares fácilmente accesibles.
- Se establecerá un stock de piezas de repuesto que se consideren imprescindibles para un servicio continuo de la instalación.
Los operarios deberán poseer conocimientos sobre: - Compresores: su funcionamiento: el punto de ajuste, la función del presostato de alta, de baja y de aceite. Las funciones de los termostatos y de cualquier otro control de seguridad que se halla instalado en la caldera.
- Válvulas automáticas de control: tienen que saber cómo funcionan que regulan cómo se ajustan.
- Válvulas de cierre manuales, eléctricas o neumáticas: donde están situadas y en qué situaciones hay que usarlas.
- Válvulas de seguridad: donde están situadas, que parte del sistema protege cada una y que debe hacerse si la válvula llega a actuar.
- Controles eléctricos: seleccionadores fusibles, relés, temporizadores. Deben saber la finalidad de cada uno y lo que protege cada uno.
- Cambios de presión y temperatura: cuales son las temperaturas y presiones normales de funcionamiento. Las causas y los efectos de los cambios de Pág. 11 presión o temperatura y que hacer para restablecer las condiciones normales de trabajo.
Mantenimiento regular que hay que llevar a cabo: - Mantenimiento diario  Purga de indicadores de nivel  Comprobación de alarma, desconexión y bloqueo del quemador por bajo nivel de agua  Comprobación del control de llama en marcha continua  Comprobación del control de llama durante el encendido  Comprobación de las características del agua de alimentación de la caldera - Mantenimiento semanal  Comprobación de la instalación: Tubos, intercambiadores de calor, bombas...
- Mantenimiento mensual  Limpieza de la instalación y comprobación de sensores - Mantenimiento cada seis meses  Revisión de juntas y acoplamientos  Revisión y limpieza de los equipos de regulación de combustión  Engrasado de válvulas - Mantenimiento anual  Se realizará un análisis de toda la instalación, tuberías y aparatos a presión Pág. 12 Caldera de vapor del IQS En este apartado se va a detallar el funcionamiento de la caldera de vapor, en concreto el generador de vapor que está ubicada en la planta piloto del IQS. La explicación se va a dividir en tres partes: el funcionamiento del circuito de gas, el del agua y su seguridad.
Funcionamiento del circuito de gas La caldera de vapor utiliza como carburante en este caso específico, la combustión de gas natural (CH4) para poder calentar el circuito de agua. La alimentación de gas natural proviene de un circuito externo, a través de una empresa ajena a la universidad. Mediante una válvula manual se va a permitir la entrada de dicha sustancia al circuito.
Cuando el gas pasa a través de la válvula manual, un manómetro indica la presión a la que viene del circuito exterior y, a continuación, pasa por un filtro para que éste elimine las partículas que puedan dañar el sistema (como obstruir una válvula).
Posteriormente, la presión de este gas se reduce mediante una válvula de reducción de presión y la presión de salida se va a medir con otro manómetro, con el fin de comprobar que se ha producido la reducción deseada. Esta diferencia de presiones se va a poder apreciar con las medidas obtenidas en los manómetros situados antes y después de la válvula de reducción.
Una vez se ha reducido la presión, el gas vuelve a pasar por un filtro para acabar de eliminar impurezas. El gas natural que entra en el quemador se mezcla con una concentración ideal de aire proveniente del exterior, ya que si éste es deficiente no quemará todo el gas y la combustión será ineficiente. Cuando el quemador está apagado o en espera de funcionamiento, el gas que quedó en la tubería de anteriores prácticas pasa por un circuito donde éste es insuflado en un recipiente que contiene glicerina. De este modo, se le suprime el aditivo que provoca que el gas tenga olor y es añadido antes de entrar en el circuito (se usa para que en caso Pág. 13 de pérdida de gas se huela) para ser expulsado al exterior en pequeñas cantidades.
Así se van a evitar daños en las tuberías.
Los gases producidos al quemar la mezcla de aire (Gas-natural, CH4 + O2 H20 + CO2), salen por una chimenea hacia al exterior después de que éste haya circulado por los tubos sumergidos en agua situados en el interior de la caldera. Es por este motivo, que se decía con anterioridad, que se trata de una caldera pirotubular, en la que dichos tubos van a calentar el agua que les rodea.
Funcionamiento del circuito de agua Antes de introducir el agua en el sistema de la caldera se procede a una previa descalcificación. Esto se hace para evitar la concentración de sales en la caldera y que así la sal no precipite en ella provocando corrosión, pérdida de eficiencia de la caldera, o incluso, falla de los tubos de la misma. El agua pasa a través de un depósito que contiene unas membranas de resina de intercambio iónico donde los iones cloruro se van a intercambiar con iones sodio, y así disminuir la concentración de cloruros en agua.
El agua sigue un ciclo cerrado para abastecer la caldera. No obstante, se debe realimentar con agua o cambiarla cada cierto tiempo, por eso se le añaden aditivos para aumentar su capacidad de solubilidad y que, por consiguiente, aumente el tiempo necesario para regenerar el agua de dicho ciclo.
Como llegará un punto en el que estas membranas estarán saturadas de cal, se va a limpiar la membrana pasando en la dirección inversa en la que fluye el agua con iones sodio, los cuales van a provenir de un depósito.
El agua descalcificada se va a depositar en un tanque de agua situado encima de la caldera que será el mismo que va a proporcionar agua al circuito. Cuando es necesario, mediante el efecto de la gravedad, el agua entra en el circuito de la caldera. Dicha agua pasa por uno de los circuitos, en el caso de la caldera de la Planta Piloto de IQS, se alternan los circuitos (válvulas, filtro, bomba) cada mes debido a que están sometidos a mucha presión y temperatura. Por eso, es Pág. 14 necesario tener un circuito alterno por si uno falla e ir intercambiando para que uno no esté mucho tiempo parado, con tal de evitar averías. Cuando el agua cae del tanque y entra por la primera válvula pasa después a una bomba de agua que la va a impulsar en dirección a la caldera. Una vez el agua se ha bombeado y ha pasado la siguiente válvula, se dirige a la última válvula. Una vez el agua ya ha superado la última válvula, ya va a entrar dentro de la caldera.
Al calentar el agua se convierte en vapor de agua a presión que sale por la salida de vapor de agua a unos 6 - 7 bares de presión. Este vapor de agua (que en el esquema se muestra que vuelve directamente al tanque de agua) en realidad se dirige a toda la planta para distintos usos (en especial calentar) y una vez ya ha cumplido con su función, ahora sí, va a volver al tanque, circuito cerrado.
Cuando hay suficiente vapor de agua en la caldera (según el manómetro), se para de calentar el agua, para evitar sobrepresión en la caldera.
Seguridad en las calderas Para asegurar la seguridad de la caldera del IQS, ésta dispone de tres sistemas de medición de la presión de la caldera: - Sistema eléctrico. Hay un aparato que mide distintos datos directamente en el interior de la caldera y los transfiere al cuadro eléctrico que toma la decisión de detener la caldera o no. El objetivo principal de este sistema y los siguientes que se van a explicar es el hecho de controlar que la presión de la caldera no sea demasiado alta. Este sistema mide, entre otras cosas, la cantidad de vapor que se encuentra en la caldera para decidir si se calienta más agua o no. En el sistema eléctrico hay dos circuitos (por si sucede algún fallo en el sistema del primer panel).
- Sistema electromecánico. Este sistema controla la presión de la caldera y dispone de tres presostatos para ello. Como en el anterior sistema, si se supera una determinada presión, se detiene la caldera. Este sistema cubre el posible fallo del sistema eléctrico.
Pág. 15 - Sistema mecánico. Este sistema también controla la presión de la caldera mediante una válvula de presión. Si se supera la presión a la que está sometida el muelle que sujeta la válvula, ésta se abre evitando la sobrepresión. Este sistema cubre el posible fallo del sistema eléctrico y el sistema electromecánico.
Es imposible asegurar una fiabilidad del cien por cien en cualquier uso y sistema, pero siempre se le pueden añadir sistemas de seguridad, tanto en la caldera como a sus alrededores. Así como un buen mantenimiento, para conseguir reducir al máximo el peligro a cualquier incidente.
Pág. 16 Esquema de la caldera del IQS Figura 1: Esquema de la caldera de vapor instalada en la planta piloto del IQS Pág. 17 Bibliografía CALDERAS DE VAPOR, Descrpción, teoria, manejo y mantenimiento. Marcelo Mesny, 1977. Ediciones Marymar FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA, Michael J. Moran y Howard N. Shapir, 2ª edición, 2004, Editorial Reverté TRAITÉ DES CHAUDIÈRES À VAPEUR, Charles Bellens, 1895. Baudry & cie CALDERA <http://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(m%C3%A1quina)> 9/11/13] Pág. 18 [Consulta: ...