Condiciones que debe cumplir una caldera

• Construcción robusta y compensadora de dilataciones
• Tambor (Colector) de recogida de impurezas del agua (fangos)
• Suficiente capacidad de agua y de vapor de forma que pueda absorber fluctuaciones
• Relación superficie de vaporización/capacidad de vaporización evitar la formación de espumas.
• Las juntas de dilatación no deben estar expuestas a la acción del fuego.
• La cámara de combustión ha de ser tal que la combustión sea completada antes de que los gases pasen a los recuperadores. (economizadores)
• Disposición de las superficies de transferencia con respecto al flujo de gases tal que se obtengan buenos coeficientes de convección.
• Facilidad de limpieza
• Elasticidad de funcionamiento (trabaja bien a altos y bajas demandas de vapor)
• Estar provista de los equipos auxiliares necesarios para garantizar la medida, seguridad y control.
• Deberá observar la alimentación de agua, evitar el uso de agua potable para la alimentación, deberá tener una adecuada cantidad de agua destilada, libre de sales, residuos sólidos metálicos u orgánicos, y almacenada en estanques exclusivos.

Se deberá contar con un laboratorio, para monitorear la calidad del agua y con compuestos químicos que nos permitan corregir desvíos de la calidad.

El objetivo principal del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosión e incrustaciones, asegurando una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia, accidentes , calidad del agua de alimentación y del agua contenida en la caldera.

Parámetros Tratamiento de Agua

• PH: representa las características ácidas o alcalinas del agua, prevenir problemas de corrosión (bajo pH) y depósitos (alto pH).
• Dureza: Cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la formación de depósitos e incrustaciones difíciles de remover.
• Oxígeno: Favorece la corrosión de los componentes metálicos.
• Hierro y cobre: Forman depósitos que deterioran la transferencia de calor. Se pueden utilizar filtros para remover estas sustancias.
• Dióxido de carbono: Favorece la corrosión en forma de ranuras.
• Aceite: Favorece la formación de espuma y como consecuencia el arrastre al vapor
• Fosfato: controlar el pH y dar protección contra la dureza
• Sólidos disueltos: (impurezas) disueltas en al agua.
• Sólidos en suspensión: (impurezas) presentes en suspensión.
• Secuestrantes de oxígeno: Productos químicos (sulfitos, hidrazina, hidroquinona, etc.) utilizados para remover el oxígeno residual del agua.
• Sílice: Presente en el agua de alimentación puede formar incrustaciones duras (silicatos) o de muy baja conductividad térmica (silicatos de calcio y magnesio).
• Alcalinidad: la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos y silicatos. Representa una fuente potencial de depósitos.
• Conductividad: permite controlar la cantidad de sales (iones) disueltas en el agua.
• Sobre-calentadores: vapor a temperaturas superiores a la de saturación recibe el nombre de sobrecalentamiento. La temperatura agregada se llama grado de sobrecalentamiento.
• Recalentadores: el objeto de aumentar el rendimiento del ciclo antes de que la temperatura del vapor sobrecalentado llegue al valor de saturación correspondiente a la presión más baja, se vuelve a sobrecalentar (recalentar) en los recalentadores.

Corrosión por Oxígeno o “Pitting”

Reacción del oxígeno disuelto en el agua con los componentes metálicos de la caldera provocando su disolución o conversión en óxidos insolubles. Resultados son tubérculos de color negro. Esta puede producirse también cuando la caldera se encuentra fuera de servicio e ingresa aire (oxígeno).

La prevención: adecuada desgasificación del agua de alimentación y la mantención de un exceso de secuestrantes de oxígeno en el agua.

Corrosión Cáustica

Se produce por una sobre-concentración local en zonas de elevadas cargas térmicas (fogón, cámara trasera, etc.) de sales alcalinas como la soda cáustica. Se manifiesta en forma de cavidades profundas.

Prevención: Manteniendo la alcalinidad, OH libre y pH del agua.

Corrosión Líneas Retorno Condensado

Los óxidos (hematita) son arrastrados a la caldera con el agua de alimentación. Si el agua tiene un color rojizo presenta problemas de corrosión, se produce por la acción del ácido carbónico.

La prevención: mediante aminas neutralizantes que neutralizan la acción del ácido carbónico y aminas fílmicas que protegen las líneas. Estas aminas son volátiles.

Incrustaciones

Corresponden a depósitos de carbonatos y silicatos de calcio y magnesio, formados debido a una excesiva concentración de estos componentes en el agua de alimentación y/o regímenes de purga insuficientes.

Incrustaciones en tubos de humo

Su baja conductividad térmica actúa como aislante térmico, provocando problemas de refrigeración de las superficies metálicas y puede llegar a causar daños por sobrecalentamiento.

Puede ser prevenida, satisfaciendo los requerimientos del agua de alimentación y agua de la caldera.

Arrastre de Condensado

Tiene relación con el suministro de vapor húmedo (con gotas de agua).

Deficiencias mecánicas tienen relación con la operación con elevados niveles de agua, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas térmicas, variaciones bruscas en los consumos, etc. Deficiencias químicas tienen relación con el tratamiento del agua de la caldera, específicamente con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos totales (disueltos y en suspensión) y sílice, que favorecen la formación de espuma.

Seguridades

Bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel que provoca una alarma y en Calderas auxiliares el corte de combustible. A/M P/S

Muy bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel independiente del anterior que genera una alarma y un corte de combustible. A/M P/S

Alto nivel de agua. Se detecta por un limitador que genera una alarma óptica y acústica. Provoca la parada de bombas de agua de alimentación.

Alta presión de vapor. Presóstato. Actúa sobre el corte de combustible parando la combustión

Fallo de llama o de la celda fotoeléctrica: Se detecta por una celda fotoeléctrica instalada en el quemador. Provoca una alarma y un corte de combustible. A/M P/S

Baja temperatura de combustible. Se detecta por un termostato colocado en la tubería de llegada al quemador. Provoca una alarma sonora y visible.

Fallo de corriente eléctrica. Provoca una alarma y un corte de combustible. A/M P/S

Falla en la presión de aire para la combustión. Provoca una alarma y un corte de combustible. A/M P/S

Falla en la bomba de alimentación. Provoca una alarma y un corte de combustible. A/M P/S

Válvulas de seguridad. En caso de producirse un aumento de la presión de vapor por sobre su presión de trabajo, descargada a la atmósfera y así evitemos una falla mayor a la estructura de la Caldera, que pudiera incluso conducir a la explosión de ella. Se colocan dos (2) en el colector de vapor de la caldera y al menos una (1) en el sobre-calentador (si existe).

Se ajustan presión cercana a la presión de trabajo pero no sobrepasando un tres (3%) por ciento por sobre la presión de trabajo con un máximo recomendado de no más de 0,21 y que no excederá de un diez (10%) por ciento de la presión máxima.

Estas válvulas deberán ser montadas directamente al colector de vapor y no deberán tener válvulas de incomunicación ni otras derivaciones.

La razón para que se haya utilizado el vapor de agua

• En primer lugar, es barata y abundante
• Transporta grandes cantidades de energía con una masa relativamente pequeña
• La temperatura se puede regular controlando la presión

Otro inconveniente que tiene la propulsión a vapor es la gran inercia térmica que conlleva. Se necesitan algunas horas para que una planta parada (fría) se ponga a pleno rendimiento

1. 1. CONCEPTOS PREVIOS

A. ENERGÍA INTERNA: energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos, átomos y moléculas

B. CALOR: La transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta temperatura, a otro objeto con temperatura más baja. La transferencia de calor cambia la energía interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica.

UNIDADES DEL CALOR

La caloría (cal): Cantidad de transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5 °C a 15,5 °C

Unidad térmica británica (Btu): Cantidad de transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63 °F a 64 °F.

Transferencia de calor

En la conducción, la transferencia de calor ocurre cuando un cuerpo u objeto está en contacto con otro.

La convección, en cambio, se produce por movimiento de gases o líquidos a diferentes temperaturas.

La radiación es una transferencia de calor sin que los cuerpos estén en contacto. Por eso, esta se da mediante la emanación de energía a través de ondas electromagnéticas.

¿Cómo funciona una caldera?

Una caldera es el foco caliente donde el agua líquida se convierte en el llamado vapor saturado, este vapor se utiliza como calefacción o para cierta maquinaria auxiliar, pero la mayor parte pasa al sobrecalentador devolviéndose a la caldera, donde continúa recibiendo más calor para aumentar su temperatura.

Este vapor sobrecalentado pasa a las turbinas donde cede su energía térmica para proporcionar trabajo, quedando como vapor saturado, normalmente con algo de humedad.

El vapor final que sale de las turbinas pasa, en primer lugar, por el condensador.

Este elemento es un intercambiador de calor en el que un fluido (agua y vapor) se enfría hasta convertirse en agua, cediendo su calor a otro fluido de circulación (agua de mar).

El condensador debe tener un cierto grado de vacío, se logra mediante una bomba de extracción, o incluso se puede ayudar con unos eyectores.

La bomba de extracción es la encargada de aspirar el agua del condensador y enviarla al tanque desaireador.

La misión del tanque desaireador es que el agua se desprenda de todos los gases que pueda llevar disueltos, para ello se calienta mezclándola con vapor.

El agua de alimentación descargada por la bomba de alimentación pasa a un intercambiador de calor llamado economizador, donde sufre el primer calentamiento aprovechando el calor remanente de los gases de escape de la combustión que se pierde por la chimenea.

Finalmente, el agua ya caliente pasa otra vez a la parte principal de la caldera donde se vuelve a reanudar el ciclo.

HISTORIA

En 1807 las máquinas ideadas y construidas por Robert Fulton fueron instaladas con satisfactorios resultados, a bordo de un vapor de nombre “Clermont”.

Este medio de propulsar las naves evolucionó muy rápidamente, en especial cuando se inventó la hélice y las calderas ya no solo consumían carbón sino petróleo.

Las calderas evolucionaron también desde las piro-tubulares a las multi-tubulares de presiones críticas y de una alta capacidad de evaporación y producción de vapor sobrecalentado.

Ventajas y desventajas de las calderas

Ventajas:

• Gran volumen de agua y, por tanto, mucha energía acumulada
• Menores fluctuaciones de presión
• Rendimientos altos

Inconvenientes:

• Riesgo de explosiones
• Problemas frecuentes si se instala un sobre-calentador
• Circulación del agua interior sin definir

Acuo-tubulares o multitubulares.

Es lo mismo, pero al revés ya que el agua se calienta y circula por dentro de los tubos recibiendo el calor de la combustión por fuera de ellos.

Ventajas:

• Un espacio menor de instalación
• Un peso más reducido
• Aptas para trabajar con altas presiones

Ventajas de las Calderas Multi-tubulares:

• Bajo riesgo de explosión fuerte
• Mejor título del vapor
• Rendimientos elevados
• Colocación sencilla del sobre-calentador
• Circulación del agua interior definida

Inconvenientes de la Caldera Multi-tubular:

• Menor energía almacenada que en las calderas piro-tubulares para la misma producción, aún cuando reacciona rápidamente a las variaciones de presión
• Mayor costo inicial

Sistemas de recuperación de energía de los gases de escape de un motor

Solución “a”: Si las necesidades de vapor son mínimas, una caldera mixta es suficiente. Se calienta durante los periodos de navegación con los gases de escape del motor y en puerto mediante un quemador. Probablemente sea la solución más económica, pero tiene el inconveniente de no permitir el calentamiento simultáneo con ambas fuentes de calor.

La solución “b”: Caldera compuesta por gases de escape del motor y gases de la combustión de la propia caldera. Son distintos, pudiéndose combinar simultáneamente todas las posibilidades de calefacción. Para calefacciones comprendidas entre 1 t/h y 4 t/h, es la solución óptima desde el punto de vista económico.

La solución “c”: Representa una mayor seguridad de suministro, por la redundancia que supone la doble caldera. Tiene un mayor coste inicial y de mantenimiento.

Al incrementarse las necesidades de vapor durante la navegación, se hace necesario recurrir a la circulación forzada, soluciones “d” y “e”.

La opción “e” se aplicaría a los petroleros, se dispone de un economizador y un sobrecalentador para conseguir una recuperación máxima del calor sensible.

El economizador se aparta del economizador convencional ya que hace circular agua subenfriada en vez de agua de alimentación.

La razón desaparece la demanda de vapor, los fuegos se apagan y el regulador de agua corta la alimentación.

Mientras que en caso del esquema “e”, al cesar la demanda de vapor, el economizador se quedaría sin circulación de agua interior mientras los gases de escape continúan calentándolo, esto haría que se formase una bolsa de vapor en su interior con el agua estancada. Cuando volviese a surgir la demanda, se abriría de nuevo la válvula del regulador del agua de alimentación, disminuyendo bruscamente la presión en el economizador, con formación adicional de vapor, dando lugar a un régimen transitorio con inestabilidades y choques térmicos.

Los esquemas de circulación forzada se basan en una alimentación directa al calderín circulando agua extraída de la parte inferior y a una temperatura variable. Circula una mezcla de agua saturada y agua fría de alimentación.

Esquemas a y b de la figura, solo admiten el primer método de regulación. En circulación forzada (esquemas “d” y “e”), todos los métodos son aceptables, siendo el primero la solución más simple.