Calderas 2015

Calderas-2015 Página 1
Calderas.
1. Introducción.
Es un equipo a presión donde la energía química de un combustible se transforma
en energía térmica para ser transferida a un fluido que la transportará en estado
líquido o de vapor.
Caldera humo tubular de agua caliente de 3 pasos

Generador de vapor eléctrico Caldera vertical de fluido térmico
Algunos parámetros importantes al momento de la selección de la caldera son:
a) Presión máxima de servicio (presión de trabajo): es la presión máxima a la que
operará el equipo.
b) Temperatura de servicio: son las diversas temperaturas de operación que alcanzarán
los fluidos utilizados en condiciones normales de funcionamiento.
c) Potencia Nominal: es la máxima energía térmica por unidad de tiempo, aportada por
el combustible.
d) Potencia Útil: es la máxima energía térmica neta por unidad de tiempo aportada al
fluido caloportador. Es usual también referir la capacidad horaria de producción de
vapor a una determina presión y con alimentación de agua a determinada
temperatura, ej.: 2000 kgvapor / h a 20 bar con Tagua alimentación = 60 °C
Pu [kW] = mv [kgvapor saturado / s] . (hvs [kJ/kg] – ha [kJ/kg])
e) Rendimiento: es la relación entre Potencia Útil y Potencia Nominal.
f) Superficie de calefacción: superficie de intercambio de calor entre la fuente térmica
y el fluido caloportador; generalmente con dos componentes: superficie de radiación
+ superficie de convección.
g) Emisiones en los gases de escape.
h) Caldera de vapor: el fluido caloportador es vapor de agua.
i) Caldera de agua caliente: el fluido caloportador es agua a T < 110°C
j) Caldera de agua sobrecalentada: el fluido caloportador es agua a T > 110°C
k) Caldera de fluido térmico: el fluido caloportador es distinto al agua: aceite térmico.
l) 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.

m) Caldera manual: la que precisa de una acción manual para realizar algunas de las
funciones de su ciclo normal de funcionamiento.
n) Caldera de recuperación: utiliza como fuente térmica gases calientes de otro
proceso: por ej.: de turbina de gas (cogeneración).
2. Clasificación.
La clasificación de las calderas admite variados puntos de vista, los más
representativos son:
2.1. Según la disposición de los fluidos:
a) Humo tubulares: los gases de la combustión recorren por dentro a los tubos, que
están rodeados de agua. Según la posición del cilindro:
a1). Horizontales.
a2). Verticales.
b) Acuotubulares: por el interior de los tubos circula el agua (o fluido térmico), y
están rodeados por los gases de la combustión. A su vez, pueden ser de:
b1) Circulación natural: por diferencia de la densidad entre agua y mezcla agua-
vapor.
b2.1) Circulación forzada (con bomba circuladora): la caldera tiene domos.
b2.2) Paso forzado (mediante bomba): la caldera no tiene domos.
2.2. Según la presión de trabajo:
a) Subcríticas: a1) Baja presión: p < 1 bar.
a2) Media presión: 1< p ≤ 13 bar
a3) Alta presión: p > 13 bar
b) Supercríticas
2.3. Según el combustible utilizado:
a) Combustibles sólidos: a1) Carbón.
a2) Cultivos energéticos: herbáceos o leñosos.
a3) Biomasa residual: marlo de maíz, residuos de poda,
bagazo, residuos de industrias: de arroz, de la madera, del maní, RSU, etc.
b) Combustibles líquidos: gasoil, fueloil, biocombustibles.
c) Combustibles gaseosos: GN, GLP, biogás.
d) Eléctricas.
e) De recuperación de gases: no “queman” combustible, sino que utilizan el calor
remanente de gases de combustión de otro equipo, por ejemplo una turbina de gas.
2.4. Según el riesgo: la reglamentación define el riesgo potencial del equipo de acuerdo al
producto del volumen de agua [m3] ó [l] x presión absoluta de trabajo [kg/cm2]:
Ejemplo1: Según la normativa de la C.A.B.A.: v en [m3]
Categoría 1ª: p .v > 18
Categoría 2ª: 12 < p.v ≤ 18
Categoría 3ª: p.v ≤ 12
Ejemplo 2: Según la normativa española: v en [l]

Categoría I: p .v > 2
Categoría II: p .v > 50
Categoría III: p .v > 200
Categoría IV: p .v > 3000
Característicasconstructivas yoperativas.
En este apartado se realiza una síntesis correspondiente a los tipos de calderas más
difundidos o que marcaron un hito en el desarrollo de las mismas.
2.1. Caldera Humo tubular.
2.1.1. Caldera humo tubular horizontal.
Fue el primer tipo de caldera moderna que se desarrolló extensamente. Son las más
difundidas en la industria.
Permiten cubrir amplios requerimientos de agua caliente, agua sobrecalentada y vapor,
siempre subcríticas. La limitante principal del tamaño de una caldera de este tipo es la
presión: en un cilindro la solicitación en las tapas es mucho mayor que radialmente.
Teniendo claro que aumentando la superficie de intercambio térmico entre el fuego/gases
de escape y el agua, se podía aumentar la capacidad de la caldera, es que se pasó a tener 2 o
3 pasos de los gases de combustión.
En una caldera de 3 pasos, el primer paso es el que corresponde al recorrido de la llama, el
segundo a la primera inversión del sentido de circulación de los gases de combustión, y el
tercer paso a la segunda inversión de los gases (el mismo sentido que en el primer paso),
que abandonan la caldera a través de la chimenea.
El agua debe cubrir continuamente la totalidad de los tubos, para evitar recalentamiento de
los mismos que tendrán como consecuencia deformaciones y finalmente averías; esto
implica que el sistema de alimentación de combustible tiene que estar necesariamente
interlocado permanentemente con las variables críticas: nivel, presión y temperatura del
agua.
A fin de garantizar una eficiencia térmica razonable y no generar condiciones peligrosas de
operación (quemadura del operario), debe implementarse una aislación térmica que
garantice una temperatura de la cubierta no superior a un valor determinado por la
normativa, ej.: 47 °C (C.A.B.A.).
El rendimiento de una caldera depende de múltiples factores, tanto de diseño como
operativos, pero la temperatura de los gases de escape incide en forma significativa: cuanto
más baja sea, el rendimiento más aumentará, pero se corre el riesgo de que se formen
compuestos corrosivos que acortan la vida útil; una opción que está siendo utilizada en
forma creciente (aunque con un incremento en el costo del equipo), es aprovechar al
máximo posible el calor residual de los gases de escape, tomando parte de la diferencia
entre el PCS y el PCI: son las llamadas calderas de condensación; estas calderas también
tienen un superior comportamiento en cuanto a las emisiones gaseosas.

La bomba de alimentación (pueden estar duplicadas para asegurar la continuidad del
servicio), es la encargada de introducir el agua de alimentación a la presión de operación de
la caldera; son de características constructivas particulares en cuanto a la aptitud de
soportar el fluido caloportador a la temperatura de ingreso a la caldera, que también impone
condiciones extremas en cuanto al ANPAd ; generalmente son centrífugas multicelulares de
eje horizontal o vertical con motor eléctrico de velocidad variable en los modelos que
tienen alimentación de agua modulante en relación al consumo.
Presión mínima: 1,15 x Papertura de la VS
Caudal ≥ 1,25 x Producción nominal de la caldera [kgv/h] o kgagua/h].
Ejemplos de calderas humo tubulares:
Potencia útil: [kW] P: [bar] T: [°C]
650 a 19000 < 16 110 y 190 1 hogar
820 a 18300 < 30 240 1 hogar
13000 a 38300 < 30 240 2 hogares
En la figura siguiente se encuentran todos los componentes principales de una caldera
humo tubular.

2.1.2. Caldera humo tubular vertical
Estas calderas tienen como característica más destacada que ocupan menos espacio en
planta que una caldera equivalente horizontal. Como contrapartida son de capacidades
limitadas. Pueden ser de construcción sencilla de 1 paso: los gases de combustión pasan por
el interior de los tubos que vinculan la cámara de combustión con la caja de humos; para
mejorar el intercambio térmico se incorpora en el interior de cada tubo, un serpentina
(helicoide de fleje de acero), para generar flujo turbulento. El agua ocupa el resto del
recipiente, excepto que se deja una cámara superior para colectar el vapor. También las hay
de diseño térmico más eficaz: 3 pasos.

Caldera vertical de 3 pasos Caldera vertical de 1 paso
Caldera para fluido térmico
2.2. Caldera acuotubular
2.2.1. Caldera acuotubular de circulación natural.
Este tipo de calderas se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la capacidad de
producción de vapor recalentado (mejorar el título) a mayores presiones, para su uso en
turbinas de vapor para accionar generadores eléctricos.
El esquema de disposición de componentes y el proceso de trabajo cambió
significativamente: el agua se transforma en vapor (y eventualmente se recalienta) en
parrillas de tubos sobre los que incide el fuego/gases de la combustión, y se destinan
depósitos específicos para el agua/vapor: los “domos”, entre quienes discurren los haces

de tubos; la circulación del agua entre los domos es por convección basada en la
diferencia de densidad entre “agua fría” y agua caliente/vapor”.
El hecho que los tubos “recubren” el hogar, hace que el revestimiento refractario tenga
mucha mayor vida útil. Además son intrínsecamente seguras: si un tubo se “pincha”,
aflorará agua caliente + vapor, y esto actúa como moderador del fuego.
Las calderas acuotubulares tenían inicialmente los tubos rectos, que luego
evolucionaron a haces de tubos curvados, permitiendo mayor libertad en el diseño de la
caldera.
Así como se desarrollaron para los más grandes consumos de vapor, también hay una
variante de tubo en serpentín para muy bajos requerimientos de vapor, para
hidrolavadoras por ej.

Las calderas acuotublares por estar destinadas a producción de grandes cantidades de
vapor a alta presión, han visto incrementado su rendimiento con la adopción de
dispositivos auxiliares, siempre extrayendo calor de los gases de escape antes de ir a la
chimenea:
- Economizador: intercambiador que permite aumentar la entalpia del agua de
alimentación.
- Recuperador: intercambiador que aumenta la temperatura del aire de combustión.
- Sobrecalentador: intercambiador donde se aumenta la temperatura del vapor (por
encima del punto de saturación); en este caso además de mejorar el rendimiento,
entrega vapor más seco, que es fundamental para la integridad de la turbina.
2.2.2. Calderas acuotubulares de circulación forzada.
Las calderas vieron mejorada su capacidad de producción de vapor cuando se introdujo el
concepto de forzar la circulación del agua, lo que permitió trabajar con altas presiones y
temperaturas; así nacieron dos alternativas:
2.2.2.1 Calderas de circulación forzada (La Mont)
Es básicamente una caldera acuotubular clásica con la incorporación de una bomba
circuladora, además de la bomba de alimentación.

2.2.2.2 Calderas de paso forzado (Benson)
Estas calderas no tienen domos, la bomba solamente bombea (y presuriza) la cantidad de
agua a ser vaporizada.
Resumen comparativo según criterios:

3. Quemador.
Es el equipo encargado de introducir el combustible dentro del hogar, en la proporción con
aire, velocidad y turbulencia adecuados, para mantener la combustión apropiada al
combustible utilizado.
Los quemadores pueden ser para:
a) Combustible gaseoso.
b) Combustible líquido.
c) Combustible sólido.
Los quemadores para gas son los de operación y mantenimiento más sencillos. Además, los
combustibles gaseosos son los que dan combustiones más limpias: bajan drásticamente el
costo de limpieza de los emparrillados de tubos.
Pueden ser:
- Atmosféricos: el gas al salir del paso calibrado, succiona el aire “primario” (40-60
%), el resto lo toma la llama del ambiente: aire “secundario”.
- De premezcla: el gas se mezcla con todo el aire necesario para la combustión; no
existe aire “secundario”.
La detección de llama puede ser por:
- Bimetal
- Térmico
- Electrónica: sonda de ionización, fotocélula, Infrarrojo, Ultravioleta.

Los quemadores para combustibles sólidos están reservados a las grandes instalaciones,
aunque el uso de combustibles residuales los ha re posicionado.
Para el buen funcionamiento de los quemadores de combustible líquido es fundamental una
fina pulverización del mismo, que se puede lograr de forma:
- Mecánica: con bomba presurizadora e inyectores calibrados.
- Neumática: con el uso de aire comprimido o vapor. Permiten utilizar combustibles
pesados.
- Rotativa: el combustible se fracciona al entrar en un tambor que gira a varios miles
de rpm.
Los quemadores pueden ser “bi-fuel”: gas-líquido, lo que es importante si no se tiene
certeza de la disponibilidad de gas, régimen tarifario horario, ayuda a quemar un
combustible líquido pesado.
En todos los tipos de quemadores, la llama piloto, la iniciadora de la combustión principal,
es lograda a partir del salto de chispas entre dos electrodos, a los que se aplica una elevada
tensión (7 a 15 kV) circulando una pequeña corriente (mA).
Los quemadores se caracterizan por la “curva del quemador” que es la potencia calorífica
en función de la contrapresión del hogar:
La contrapresión del hogar, deberá ser compensada por la presión de impulsión del
ventilador, que junto con el caudal de aire necesario para la combustión (según el estado de
carga), y el rendimiento del ventilador, determinan la potencia absorbida por el mismo.

El objetivo principal del quemador es lograr una combustión sin exceso/defecto de aire,
considerando que las normativas de emisiones gaseosas (NOx, CO, HC, MP) son
progresivamente más restrictivas.
Para alcanzar el objetivo de eficacia (potencia calorífica), eficiencia (consumo) y niveles de
emisiones, en la actualidad lo más recomendable es adoptar un quemador con controlador
electrónico, que comandan un servo motor para cada variable: aire, combustible, cámara de
mezcla variable.
El control de la combustión más preciso se logra con un lazo de control de la sonda
Lambda: λ = [A/C]real / [A/C]esteq, ubicada a la entrada de la chimenea.
Efecto del control del O2 en el rendimiento de la caldera
Además, asociado con un driver (convertidor de frecuencia), se adapta la velocidad del
ventilador al caudal de aire necesario según el estado de carga, lo que redunda en una
disminución sensible de ruido y costo de energía eléctrica.

Además tienen una serie de ventajas:
- Dosificación más precisa.
- Servo motores con lazo de control.
- Curva de trabajo grabada en la memoria y reproducible.
- Controlador auto vigilante.
- Bus CAN.
- Memoria de averías.
- Instalación eléctrica más simple.
- Mantenimiento más sencillo.
4. Combustibles.
La tipificación general de combustibles se resumió en el punto 2.3.
Los combustibles tienen algunos valores característicos, además de la imprescindible
consideración de su costo de adquisición.

El nomograma siguiente permite tener una aproximación al diámetro de la cañería de
alimentación para el caso de combustibles líquidos:
Rampa de alimentación de gas a un quemador.

5. Agua de alimentación.
La calidad del agua de alimentación a la caldera es la característica determinante para tener
una operación sencilla de la misma, como así también maximizar el rendimiento energético
del equipo (el rendimiento crece en el orden de 1% por cada 5°C), y la calidad del
producto: agua o vapor, y minimizar el mantenimiento.
Si el agua de alimentación no tiene la calidad adecuada, aparecerán consecuencias:
- Incrustaciones.
- Corrosión.
Las que en conjunto provocan:
- Incremento de la resistencia térmica de las superficies de intercambio de calor.
- Disminución del intercambio de calor. Acero: 40 kCal/m2h°C vs. Incrustaciones: ≤
6 kCal/m2h°C.
- Pérdida de la resistencia mecánica de la pared.
- Envejecimiento prematuro del equipo.
- Incremento del consumo de energía.
- Operación riesgosa: aumento de la probabilidad de explosión.
- Arrastre de sales en el agua/vapor.

En consecuencia el agua de alimentación debe ser acondicionada antes de su incorporación
a la caldera.
Las condiciones hidrológicas del terreno relacionadas con la lluvia, con los flujos de agua y
con la infiltración, son factores determinantes en la formación de las reservas de agua para
uso en riego y abastecimiento, tanto en cantidad como calidad.
5.1. Parámetros principales para calificar el agua de alimentación.
- pH. Su control es esencial: bajo pH → corrosión. Alto pH → incrustaciones.
- Dureza. Define la cantidad de iones Ca y Mg, responsables de las incrustaciones.
- Oxígeno. El oxígeno disuelto en el agua, favorece el proceso de corrosión, que se
agudiza con el incremento de la P y T.

Es importante que el agua de alimentación de la caldera tenga la máxima
temperatura posible: la que soporte la bomba y el sistema de alimentación, porque el
O2 disuelto disminuye con la temperatura:
- Fe y Cu. Forman depósitos en las superficies de transferencia.
- CO2. Favorece la corrosión que se manifiesta en forma de fisuras. El CO2 se
disuelve en el agua (condensado) formando ácido carbónico.
- Aceite. Causa la formación de espuma y ésta provoca el arrastre de líquido en el
vapor.
- Sólidos Totales Disueltos. Es la suma de todos los sólidos presentes en el
condensado.
- Sólidos en Suspensión. Es la cantidad de impurezas no disueltas en el agua.
Ej.: arena, arcilla, materia orgánica, metales.
- Sílice. Cuando está presente en el agua, formará incrustaciones muy duras o de muy
baja conductividad.
- Alcalinidad. Representa la cantidad de carbonatos, hidróxidos, fosfatos, silicatos,
bicarbonatos disueltos en el agua, y conocer su magnitud permitirá evitar formación
de incrustaciones.
- Conductividad. Es el parámetro que permite conocer la cantidad de sales disueltas.
[µS/cm]
Equipo multifunción:pH,conductividad, alcalinidad,TDS.
5.2. Problemas principales en el circuito de agua de calderas.

5.2.1. Sedimentos e Incrustaciones.
Sedimentos.
Son depósitos blandos eliminables con agua a presión o arrastrables.
Incrustación.
Son depósitos duros adheridos a superficies calientes, de difícil remoción, y solamente en
forma de placas.
Para el caso de los silicatos, son de muy difícil remoción, por lo que en calderas de media y
alta presión destinadas a producir vapor para turbinas, debe ser eliminado, porque al
precipitar en los álabes, los desbalancea.
5.2.2. Espumas y arrastres.
Espumas.
Se manifiestan en la superficie del líquido; tienen su origen en la presencia de aceites,
grasas saponificables, jabones, sólidos en suspensión, excesiva concentración de sales.
Arrastres.
Se detectan porque en el condensado (de vapor), hay presencia de sales del agua de la
caldera. También puede haber vapor condensado, (pero es carente de sales).
Motivos más probables: demanda de vapor mayor a la capacidad de la caldera, apertura
demasiado rápida de la válvula de vapor, nivel de agua muy alto, mal diseño de la caldera.
5.2.3. Corrosión.
Es la destrucción progresiva de un metal por la reacción de éste con el medio que lo rodea.
Para tener idea de su magnitud en los perjuicios que ocasiona, se calcula que 1/3 de la
producción mundial de acero está destinada a reemplazar componentes debido a la
corrosión.
Es un proceso muy complejo donde intervienen variables de diseño y fabricación (material,
terminación superficial, puentes eléctricos, estados de tensión, etc.), y variables operativas
(humedad, pH (acidez), excesiva velocidad del flujo, sales, gases (cloruros), sedimentacio-
nes, recalentamientos.
5.3. Acondicionamiento del agua de alimentación.
Los procesos más frecuentes son la descalcificación mediante resinas de intercambio iónico
y la desmineralización mediante la ósmosis inversa.
En sistemas pequeños o con elevadas tasas de retorno de condensado se aplica con
frecuencia una descalcificación pues resulta más económica.
En este proceso, los componentes que causan la dureza del agua (principalmente iones de
Ca y Mg) se intercambian por iones de sodio. Con este proceso el contenido de sal en el
agua se mantiene casi constante. Las resinas de intercambio iónico se regeneran con una
solución salina (NaCl).
La ósmosis inversa es un método que implica costes más altos, y por lo tanto se utiliza
principalmente en sistemas con elevadas tasas de agua de aportación, o en casos en los que
por otros motivos (por ejemplo la calidad del vapor) se requiere agua de caldera con una
conductividad baja.

Para este proceso se utilizan membranas que son permeables hacia un lado y que funcionan
como filtro a nivel molecular. Cuando una solución acuosa se hace pasar con una presión
elevada (superior a la presión osmótica) por esas membranas, la mayor parte de las sales y
demás sustancias son retenidas como sustancia residual, pasando agua pura por la
membrana. Según las características, además de la ósmosis puede ser necesario usar una
descalcificación previa o posterior. La descalcificación previa se efectúa de forma
equivalente a la descalcificación anteriormente indicada y se suele utilizar más bien para
potencias pequeñas. Siempre que se trate de desmineralizar grandes volúmenes de agua
mediante ósmosis, por regla general se deberán agregar los productos químicos con control
de volumen antes de la entrada en la ósmosis, para evitar el bloqueo de los módulos de
ósmosis a causa de los componentes que producen dureza. La descalcificación posterior a la
ósmosis elimina los metales alcalinotérreos residuales (iones de Ca y Mg).
Para completar el acondicionamiento del agua de alimentación, se recurre a la
incorporación (dosificación en volumen) de compuestos químicos:
- Secuestrantes de oxígeno. Los secuestrantes de oxígeno corresponden a productos
químicos (sulfitos, hidrazina, hidroquinona, etc.) utilizados para remover el oxígeno
residual del agua.
- El fosfato se utiliza para controlar el pH y dar protección contra la dureza.
-

Tanque de Alimentación Atmosférico.
Tanque de Alimentación Presurizado
6. Operacióny mantenimiento.
La operación segura de una caldera, no solamente se basa en que esté a cargo
de personal capacitado y responsable, sino que del lado del equipo, es
importante que el conjunto de dispositivos e instrumental de la caldera y

equipos accesorios sea de buena calidad y tengan un mantenimiento adecuado,
respetando no solamente las frecuencias de revisión que imponga la
normativa, sino las del proveedor.
En la figura siguiente se muestra el conjunto de dispositivos de seguridad
obligatorios y suplementarios:
6.1. Dispositivos de seguridad obligatorios.
Son aquellos que cortan el suministro de combustible en caso de alcanzarse
valores críticos de los parámetros operativos, y sin haber llegado al valor de
apertura de la válvula de seguridad.
VS: válvula-s de seguridad; según la normativa está duplicada.
LNA: limitador del nivel mínimo de agua.

LP: limitador de presión máxima admisible de operación.
6.2. Dispositivos de seguridad suplementarios.
ION: Indicadores ópticos de nivel de agua.

VA: válvula de aireación; necesaria para el llenado/vaciado y venteo residual
de la caldera.
VPL: válvula de purga de lodos;para retirar los residuos que decantan en el
fondo de la caldera.
Tanque de descarga de purgas
Por normativa ambiental, las purgas deben ser enfriadas previamente a su
desecho.

VPCS: válvula de purga continua de sales: para mantener concentración
dentro de un máximo.
Si la concentración de sales se mantuviera alta porun purgado insuficiente, las
consecuencias serán entre otras:
a) Suciedad en las válvulas de control.
b) Bloqueo de los purgadores (trampas de vapor).
c) Ensuciamiento de los intercambiadores.
Cálculo de la cuantía de la purga continua:

Recuperacióndelcalorde la purga.
Se puede recuperar hasta el 80 % del calor de la purga de sales,
contribuyendo sensiblemente a la eficiencia energética del proceso.
Componentes principales: a) Tanque de revaporizado, b) Intercambiador de
placas, c) Bomba recirculadora.
Verificaciónde la conductividad del agua

EAM: extractor acondicionador de muestra de agua/vapor: enfría/condensa la
muestra para tener el valor real de sales disueltas.
EN: estos electrodos comandan el arranque/parada de la bomba alimentadora;
el funcionamiento de la bomba podráser del tipo On/Off o modulante: la
bombamodifica la velocidad según la variación del nivel. También hay un
nivel de mínima que ordena al controlador del quemador cortar el
combustible.
Control de nivel “todo-nada”:

Control de nivel “modulante”
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