Mantenimiento de calderas de vaporEl título propuesto Mantenimiento de calderas de vapor tiene y resume de manera concisa el tema central del documento, que es el mantenimiento de calderas de vapor, optimizando así el

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RESUMEN
Una caldera de vapor es un equipo térmico cuya función es aprovechar la
energía calorífica de un combustible, para generar vapor de agua, en diferentes
condiciones utilizables en procesos industriales.
Una planta de vapor, dada su complejidad y la gran precisión y confiabilidad
con que debe ejecutar su función, requiere de un tipo de mantenimiento
especializado y de alta eficiencia. Es también considerable el factor de seguridad
con que se debe actuar en una planta de vapor por los riesgos que implica el
manipuleo del vapor a altas presiones y temperaturas.
En el presente trabajo, esbozamos los principios más importantes que se
deben incluir en un plan de mantenimiento preventivo y predictivo, los mismos que
nos deben asegurar un funcionamiento uniforme y de alto rendimiento.
Explicamos la estructura y el funcionamiento de las partes más importantes
de la caldera y de las instalaciones de vapor. Siendo el aspecto medular del trabajo,
el proceso de mantenimiento, detallamos estos procedimientos tanto para los
equipos mecánicos como para los elementos de control, tuberías de vapor y
accesorios. También hemos incluido un cuadro de fallas frecuentes y otros que se
pueden presentar esporádicamente, con su diagnóstico, sus posibles causas y con
las acciones correctivas que se deben tomar. Este cuadro de fallas también nos sirve
para tomar acciones preventivas que eviten que las fallas puedan ocurrir, eliminando
fallas potenciales.

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En el presente trabajo llegamos a conclusiones concretas que nos permitirán
mejorar el rendimiento de las plantas de vapor y tener un considerable ahorro de
energía en los procesos industriales.
Esperamos que nuestro modesto trabajo aporte algunos conceptos
importantes para la ejecución de un buen plan de mantenimiento, prácticas
eficientes de operación de las calderas y sistemas de vapor y también nos incentive
a investigar más en este amplio campo de la termo energía.

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I. INTRODUCCIÓN
El campo de la aplicación de la energía térmica en la producción industrial es un
factor totalmente preponderante en los costos de operación y como tal puede decidir
la viabilidad técnico – económica de una actividad empresarial. Dentro de este
campo de aplicación energético, desempeñan un papel preponderante las plantas de
vapor, con las calderas y los sistemas de transporte de vapor.
En este contexto, la expectativa de este sencillo trabajo es analizar las pautas
fundamentales para la correcta operación de los procesos en una planta de vapor,
optimizando la eficiencia, proponer acciones que determinen el ahorro de energía.
En consecuencia a lo expresado, el mantenimiento idóneo de los elementos de
una planta de vapor, es un factor muy importante para la consecución de estos
logros. Es indiscutible, dentro de la actividad industrial actual, que sin el debido
mantenimiento no se puede pretender la eficiencia en ningún proceso industrial.
Tratándose de calderas y elementos de vapor, equipos de que trabajan con muchas
variables y que su manipuleo conlleva un alto riesgo para el personal y para la
infraestructura cuando no se obedecen estrictamente algunas reglas establecidas,
las acciones de mantenimiento se hacen doblemente importantes.
El personal técnico que opera los sistemas de vapor, así como los ingenieros que
se desenvuelven en este sector, requieren de capacitación y entrenamiento
permanentes, en función a los avances de la tecnología energética. La operación y
mantenimiento de las plantas de vapor, requiere de conocimientos que van más allá
de las reglas de un manual. Por su naturaleza, en este campo también necesitamos

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conocimientos de materiales metálicos como los aceros en sus diversas
presentaciones, llámese planchas, tuberías, perfiles estructurales etc. Son también
importantes los conocimientos enel campo de la tecnología de la soldadura, de la
resistencia de materiales sometidos a altas presiones, ensamblaje de equipos de
transporte de fluidos y muchos otros temas que van enlazados.
El mantenimiento de estos equipos tan especializados deberá ejecutarse con
métodos reconocidos por las instituciones internacionales normalizadoras, siguiendo
secuencias previamente programadas, donde cobra especial importancia el
mantenimiento preventivo planificado a largo plazo.
Por estas razones, intentamos proponer acciones de mantenimiento preventivo y
predictivo, además de las todavía necesarias actividades de mantenimiento
correctivo, que posibiliten la operación de una planta de vapor con la máxima
eficiencia, disminuyendo drásticamente las pérdidas y paralizaciones intempestivas y
generando un considerable ahorro de energía, acciones que sumadas pueden
incrementar la productividad.

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II. MARCO TEÓRICO
El tema, materia de la presente investigación, es fundamental en el desarrollo
de diversas actividades industriales y de servicios de nuestro país, por tratarse de
un equipo básico para el funcionamiento de muchas plantas industriales y también
de actividades de servicio relacionadas a la hotelería y centros de esparcimiento,
ligados estrechamente al sector turismo. Presenta aún muchos aspectos que
requieren de mayor estudio con la posibilidad de perfeccionarlo y optimizar su
funcionamiento.
Se dispone de buenainformación referente a su diseño, operación y
mantenimiento, pero falta sistematizar esta información y hacerlo más asequible al
personal técnico encargado de su operación y mantenimiento. Citaremos algunos
conceptos fundamentales que nos servirán de marco teórico:
La seguridad, es siempre un tema de gran importancia en la operación de los
calderos porque se trabaja con presiones considerables que pueden representar
peligro para los trabajadores y la infraestructura. Al respecto podemos ver las
siguientes apreciaciones: “Los trabajadores que usan y hacen el mantenimiento a
calderas saben que éstas son potencialmente peligrosas. Las calderas son
recipientes cerrados con quemadores de gas o electricidad que calientan agua u
otros líquidos para generar vapor. El vapor está a presión y sobrecalentado, y se usa
para generar electricidad, para calefacción o para otros propósitos industriales.
Aunque las calderas normalmente están equipadas con una válvula de alivio de
presión, si la caldera no puede resistir la presión, la energía que contiene el vapor se

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libera instantáneamente. Esta combinación de metal explotando y vapor
sobrecalentado puede ser extremadamente peligrosa”.
“Sólo trabajadores autorizados y debidamente capacitados deben operar las
calderas. Los trabajadores deben conocer bien el manual de operación y las
instrucciones del fabricante de la caldera. Los operadores de calderas deben
inspeccionar las calderas con frecuencia en búsqueda de fugas, combustión
correcta, funcionamiento de los dispositivos de seguridad e indicadores, así como
otras funciones. Muchas calderas viejas, así como las tuberías de vapor o agua
caliente pueden tener recubrimientos aisladores, enrollados o forros de asbesto. Los
trabajadores deben inspeccionar esas áreas periódicamente para asegurarse de que
los materiales no estén dañados, que no se estén descascarando y que no estén
deteriorados. Deben reportarse la existencia de materiales dañados y deben
repararse o eliminarse de inmediato por un contratista certificado para trabajos en
asbesto. Indicios de superficies rajadas, prominencias, corrosión u otras
deformidades deben ser reparados de inmediato por un técnico autorizado. Los
registros detallados de la operación y el mantenimiento de la caldera pueden ayudar
a asegurar su seguridad”.
“Las calderas deben siempre conectarse lentamente, y nunca se debe inyectar
agua fría a un sistema caliente. Cambios súbitos de temperatura pueden torcer o
quebrar la caldera. Debido a que muchas calderas queman gas natural, combustible
diesel o petróleo, es necesario tomar precauciones especiales. Los operadores de
calderas deben asegurar que el sistema de combustible, incluyendo las válvulas,
tuberías y tanques, estén funcionando correctamente y sin fugas. Para prevenir

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explosiones en la caldera, es imperativo que los operadores purguen la caldera
antes de encender el quemador. Los trabajadores deben verificar la relación de aire
a combustible, la condición del tiro y la llama para asegurarse de que ésta no sea
demasiado alta ni que eche humo. Los sistemas de ventilación también deben
inspeccionarse y mantenerse para asegurar que los gases producto de la
combustión no se acumulen en la sala de calderas”.
“El área que rodea a la caldera debe mantenerse libre de polvo y desperdicios,
y no se deben almacenar materiales combustibles cerca de ninguna caldera. Los
pisos a menudo son de concreto sellado y pueden ser muy resbalosos cuando están
mojados. Los derrames deben trapearse o limpiarse de inmediato. Asegúrese de que
haya suficiente iluminación y que cualquier lámpara defectuosa se repare de
inmediato. Debido a que las calderas tienen superficies calientes, debe haber
suficiente espacio a su alrededor para que los trabajadores puedan moverse en la
sala de calderas. Las salas de calderas pueden ser ruidosas, por lo tanto el área
debe estar identificada como tal y los trabajadores deben usar protectores para los
oídos cuando trabajen dentro de la sala de calderas”.
“Se les permitirá únicamente a los técnicos autorizados hacer reparaciones en
las calderas. El personal de reparación debe usar equipos de protección personal,
tales como cascos, guantes para trabajo pesado, protección para los ojos y overoles.
Cuando entren en una caldera para efectuar reparaciones o tareas de
mantenimiento, los trabajadores de reparación de calderas deben tratarla como un
espacio cerrado que requiere permisos. Cuando se para una caldera para
reparaciones, todas las fuentes de energía deben desconectarse usando

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procedimientos de bloqueo (Lock-out/Tag-out), y los residuos de presión en tuberías
de vapor, agua y combustible deben aliviarse siguiendo los procedimientos correctos
de vaciado y bloqueo, o taponamiento”.1
Respecto a la limpieza de todas las partes del caldero como práctica
fundamental del caldero podemos ver lo siguiente:” El sistema debe limpiarse con
cuidado antes de que la caldera se conecte al sistema. Muchas calderas limpias se
han arruinado con los contaminantes del sistema, como selladores de tubería, aceite
de corte y rebabas o virutas de metal. Muchos contratistas utilizan una caldera nueva
para calentar y curar un edificio en construcción. Se debe tener especial cuidado
para que durante este uso inicial de la caldera el contratista proporcione adecuado
tratamiento del agua. Los propietarios pueden recibir una caldera dañada o-
incrustada por el mal uso que le dio el contratista. Además, conforme nuevas zonas
entran en el sistema, se requiere la limpieza de ellas para evitar daño a la caldera.
Se debe utilizar solamente una caldera para llevar a ebullición un sistema.
“La limpieza mejora un sistema de calefacción de vapor o de agua caliente.
Una fase importante al terminar la instalación de calderas se descuida con frecuen-
cia en las especificaciones. Usualmente no se hace ninguna previsión para limpiar el
sistema. Algunas veces se drena para efectuar cambios o ajustes, pero nunca se
limpia en realidad. El arquitecto, ingeniero o contratista, selecciona las calderas para
diversas instalaciones y la selección puede representar el mejor sistema; pero
siempre será mejor si es un sistema limpio”.
1
Lawrence Kohan, Anthony. Manual de Calderas, Principios Operativos de Mantenimiento, Construcción e
Instalación. 3ra edición, Editorial Mac Graw Hill, Madrid 2002. Pag. 204.

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“Cómo saber si un sistema necesita limpieza. Hay síntomas definidos de un sis-
tema sucio. A continuación se presenta una lista típica de puntos por verificar. Si
cualquiera de los puntos es positivo, el sistema necesita limpieza:
“Agua obviamente sucia, oscura o con coloración.
Gases expulsados por los respiraderos en los puntos altos en el área de calefacción
que se encienden y arden con una llama azulada casi invisible.
Una prueba de alcalinidad de pH que da una lectura de prueba de pH por debajo de
7. (Un pH inferior de 7 indica que el agua en el sistema es ácida)”.
“Sin importar lo cuidadosamente que se haya instalado un sistema, ciertos
materiales extraños entran al sistema accidentalmente durante la construcción, por
ejemplo, sellador de tuberías, aceite para cortar cuerdas, fundente de soldadura,
preventivos contra la corrosión, compuestos contra herrumbre, arena gruesa, escoria
de soldadura y suciedad, y arena o arcilla del sitio de trabajo. Por fortuna, las
cantidades de estas materias suelen ser pequeñas y no causan dificultades. Sin
embargo, en algunos casos pueden ser cantidades suficientes para descomponerse
químicamente durante la operación del sistema y causar la formación de gas y
acidez en el sistema de agua. En la mayor parte de los casos los sistemas' de -agua
caliente;-- operan naturalmente con un pH de 7 o más alto. La condición del agua
puede probarse rápidamente con papel Hydrión, que se utiliza de la misma forma
que el papel tornasol excepto que proporciona lecturas específicas de pH. Una tabla
de colores en el lado del pequeño paquete de Hydrión da las lecturas en unidades
de pH. El papel Hydrión es barato y se obtiene fácilmente a través de los canales
adecuados de mayoreo y menudeo”.

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“Un sistema cuya prueba indica ácido (por debajo de 7 en la escala, algunas
veces tan bajo como 4) tendrá usualmente los siguientes síntomas:
 Formación de gas (problema de aire).
 Problemas en sellos y prensaestopas de la bomba.
 Pegamiento fuga en el respiradero
 Operación frecuente de las válvulas de alivio.
 Fugas en las juntas de la tubería.
“Una vez que ésta condición existe, los síntomas continuarán hasta que la
situación se corrija mediante la limpieza del sistema. Muchas veces, debido a la
formación de gas, se agregan respiraderos automáticos en todo el sistema para
intentar poner remedio. El uso excesivo de respiraderos automáticos puede invalidar
la función del sistema de eliminación de aire, ya que las pequeñas cantidades de
aire que entran deben devolverse al tanque de expansión para mantener el balance
entre el colchón de aire y el volumen de agua”.
“Si se permite que un sistema se deteriore con las fugas resultantes y con
crecientes pérdidas de agua, pueden ocurrir serios daños en la caldera. Por lo tanto,
la principal consideración es mantener un sistema cerrado que esté limpio, neutro y
hermético al agua”.
“Cómo limpiar un sistema de calefacción. La limpieza de un sistema (ya sea con
tubería de acero o de cobre) no es difícil ni cara. Los materiales para la limpieza se
encuentran fácilmente en el mercado. Los materiales más comúnmente utilizados

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para la limpieza son fosfato trisódico, carbonato de sodio o hidróxido de sodio (lejía),
que se venden en las tiendas de pinturas y ferretería”.
“La preferencia es según el orden en que se han nombrado, y las sustancias
deben utilizarse en las proporciones citadas; es posible utilizar una solución de un
solo tipo en el sistema.
Fosfato trisódico, 1 libra por cada 50 galones (1 kg para 420 l) en el sistema.
Carbonato-de sodio, 1 libra por cada 30 galones (1 kg para 240 l) en el sistema.
Hidróxido de sodio (lejía, sosa), 1 libra por cada 50 galones (1 kg para 420 l) en el
sistema.
El sistema se llena, ventea y se hace circular perfectamente la solución de
limpieza, permitiendo que el sistema alcance las temperaturas de diseño o de
operación, si es posible. Después de que la solución ha circulado durante unas
horas, el-sistema debe drenarse por completo y volverse a llenar con agua limpia.
Por lo general, parte del limpiador se adherirá a la tubería para dar una solución
alcalina satisfactoria para la operación. Es preferible una lectura de pH entre 7 y 8, y
puede agregarse una pequeña cantidad de limpiador si es necesario. Un sistema
neutro limpio nunca debe drenarse excepto para una emergencia o para dar, servicio
al equipo que lo necesite después de años de operación. La solución anticongelante
en el sistema debe probarse cada año, como recomiendan los fabricantes del
anticongelante que se utilice. Sin duda alguna, el sistema limpio es el mejor
sistema”.
“Arreglos para la limpieza de sistemas de calefacción. Mucha de la suciedad y
contaminación en un sistema nuevo puede enjuagarse antes de ponerlo en ebu-

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llición. Esto se realiza enjuagando primero el sistema con agua limpia, que se
desperdicia, y efectuar después un lavado químico”.
“La caldera y la bomba de circulación se aíslan con válvulas, y se hace pasar
agua del municipio a través de las zonas sucesivas del sistema, para que arrastre
las virutas, suciedad, compuestos- de unión, etc., hasta el drenaje. A esto debe
seguir un lavado químico. La remoción de las virutas de tubos y otros desperdicios
antes de operar las válvulas de aislamiento de la caldera y de la bomba ayudarán a
proteger este equipo contra el daño que pudieran causar estos desperdicios.
Después de que ha terminado este proceso de enjuagado, se realiza el
procedimiento usual de poner en ebullición”.2
Uno de los pilares de nuestro trabajo es la aplicación del mantenimiento
preventivo en los calderos industriales, al respecto podemos ver un enfoque del
mantenimiento periódico, que es una modalidad muy importante de la prevención:
“El mantenimiento periódico tiene su fundamento en la conocida curva de la bañera
de la que incorporamos a continuación un ejemplo que seguramente una gran parte
de los lectores conocerá”.
“En el eje de ordenadas se suele representar la probabilidad de fallo o el
número de averías y en el eje de abscisas, la edad, entendiendo como tal el
parámetro de medida que se elija.
En cualquier equipo, desde un punto de vista tradicional, la fase de puesta a
punto o puesta en operación del mismo se caracteriza por un número de averías
2
Ibid, pag. 326

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superior a la considerada normal durante su explotación. Este período, comúnmente
denominado "mortalidad infantil", va decreciendo a medida que va pasando el rodaje
inicial, se van implementando las primeras modificaciones definidas durante la
puesta en marcha o se van optimizando los primeros ajustes y software.
A continuación tenemos un período relativamente dilatado en el que la
probabilidad de fallos o número de averías es más o menos constante,
produciéndose los mismos de manera totalmente aleatoria y sin una causalidad
claramente identificada. Este período, más el anterior, se denomina vida útil,
aunque hay algunos autores que denominan sólo vida útil al período de fallos
aleatorios estadísticamente constantes.
Pasado el período de vida útil en el que los fallos son totalmente aleatorios y
el equipo técnico de mantenimiento poco (o nada) puede hacer para anticiparse a
ellos, aparece un aumento paulatino de averías que históricamente se han asimilado
a desgastes, deterioros por fatiga, envejecimientos mecánicos, etc. En las nuevas
tecnologías basadas en componentes analógicos y digitales electrónicos, este
aumento de la tasa de fallos a partir de un determinado momento, es muy poco
conocido salvo en algunos componentes discretos como condensadores
electrolíticos, resistencias bobinadas, etc., en los que sí se sabe que a partir de un
determinado momento falla.
Desgraciadamente esta curva de bañera, y más concretamente en la parte
final de aumento paulatino de fallos con la edad, era fiable hace dos, tres o cuatro
décadas, en las que la gran mayoría de servomecanismos, componentes y
accionamientos, se basaban en sistemas puramente mecánicos, neumáticos o

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hidráulicos. Hoy en día no es así, por lo que cuando un determinado sistema
empieza a fallar según esta zona de la "bañera", se demuestra que en un 94 % de
los casos las actuaciones mejorativas posibles deben encaminarse a intervenciones
modificativas sobre el mismo y no preventivas.
Un ejemplo de un programa de revisiones sistemáticas de las que estamos
tratando se incorpora en la siguiente página, relativa a una planta electrógena diesel.
En dicho ejemplo se refleja un plan sistemático anual, planificado por semanas, en el
que se estipulan una serie de trabajos (especificados en los procedimientos
expuestos) con las horas/hombre asociadas, a realizar cada una de las semanas
numeradas. En la semana 26 se lleva a cabo un "OVERHAUL" o gran revisión. Todo
ello, como puede deducirse, independientemente de que la Planta electrógena diesel
haya trabajado mucho o poco en el año objeto de la planificación.
Por último', y para terminar de describir dicha curva, se comienza un período
en el que la mayor parte de los equipos fallan a la misma edad y, en teoría, ése sería
el momento de llevar a cabo la revisión preventiva sistemática al sistema para volver
a posicionarlo en una situación, llamémosla asumida, correspondiente a las averías
de vida útil. Realmente en ese punto de revisión periódica sistemática se comienza
un ciclo parecido a cuando el equipo era nuevo; esto es, la propia revisión periódica
induce una serie de fallos por manipulaciones, por paralización del sistema, etc. que
conlleva una cierta mortalidad infantil adicionada a la propia intervención; tal como
pasaba con el proceso previo de la puesta a punto. Si lo anteriormente dicho
hubiese estado basado en el conocimiento previo del comportamiento del material o
del sistema en el tiempo, las intervenciones sistemáticas se programarían siguiendo

15
una periodicidad suficientemente contrastada, bien por la experiencia de situaciones
y contextos homólogos anteriores por parte del constructor o suministrador, o bien
por los resultados operacionales obtenidos por nosotros mismos en situaciones y
ensayos anteriores. Lo cierto es que esto no siempre es así. El momento en el que
se lleva a cabo la intervención preventiva suele estar definido desde un punto de
vista teórico y, en el mejor de los casos, extrapolando sin más una teoría o una
experiencia de un contexto muy diferente" al de nuestra explotación o nuestra planta.
La definición científica del momento de una revisión periódica sistemática,
debería hacerse basándose en la función de distribución de ave, rías, de forma que,
definiendo de antemano un correctivo residual imposible de eliminar, por ejemplo
entre el 5 y el 10 %, cuando el número o probabilidad de fallos superase
estadísticamente dicho valor es cuando debiera hacerse la intervención. En la figura
15
15

16
4.21 reflejamos lo que queremos decir comparando dos distribuciones normales del
mismo MTBF promedio pero con desviaciones típicas diferentes”3
.
En la actualidad se cuenta con métodos e instrumentos de tecnología avanzada
para la detección de fallas, sobre este tema, veamos algunos datos muy
importantes:
“Ultrasonido.- Se emplea para detectar fallas, grietas, soldaduras deficientes,
huecos, corrosiones, desgastes, anormalidades, roturas en elementos, tales como:
estructuras, ejes, tuberías, etc. El método consiste en lanzar pulsos u ondas de
ultrasonido al interior de los materiales, y con las respuestas obtenidas "al regreso
de la señal se determinan la ubicación física y la criticidad de la falla”.
“El tiempo de retraso entre la generación del pulso del sonido y la detección de
la reflexión genera una medida de la distancia de la fuente a la superficie. La
propagación de ultrasonidos de banda de frecuencias entre 0,25 y 10 MHz es
bastante direccional y permite estudiar diferentes fisuras en la dirección en que
ocurren, o que se presume que existen. En aceros actúan adecuadamente en
espesores entre 0,5 y 300 milímetros (Duffuaa yotros, 1995 y Kelly y otros, 1998)”.
“Ensayos y controles no destructivos.- Clasifican en esta categoría de
instrumentos avanzados de mantenimiento: la gammagrafía, los rayos X, las
radiografías, las fibras ópticas para exámenes de profundidad, el ultrasonido, los
procedimientos ópticos, los tratamientos de imagen, la termografía infrarroja, los
3
Gonzales Fernández, Francisco Javier. Mantenimiento Industrial Avanzado, 2da edición. F.C. Editorial,
Madrid, 2009. Pág.124

17
ensayos bajo control, las pruebas de aceleración de vida útil, etc. (Duffuaa y otros,
1995 y Kelly y otros, 1998)”.
“Control de ruido.- La constante revisión y medición de ruidos permiten
detectar en forma temprana las fallas, o percibir elementos fuera de condiciones
estándar. El sistema se fundamenta en medir las características de ruido, bajo
condiciones normales y usar esta referencia para detectar anomalías. Puede
utilizarse como un método previo a un análisis más profundo de vibraciones (Sourís,
1992; Duffuaa y otros, 1995 y Kelly y otros, 1998)”.4
4
Mora Gutiérrez, Alberto. Mantenimiento. Planeación, Ejecución Y Control. Editorial Alfaomega Colombiana
S.A. Bogotá, 2009. Pág. 410.

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III. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1 MATERIALES:
En el desarrollo del presente proyecto de investigación, se han empleado
diversos materiales, entre los cuales citaremos los principales:
 Fluidos y Procesos SAC, Lima
 Inversiones Dulce mar SAC, Chimbote
 Dinamómetro eléctrico
 Dinamómetro de corrientes parásitas
 Tacómetro
 Medidor de flujo
 Manómetros
 Torquímetro
 Termómetros
 Amperímetros
 Voltímetro
 Equipo de ensayos no destructivos para cojinetes
 Equipo de seguridad para manipuleo de sistemas eléctricos
 Computadora
 Impresora
 Scanner
 Fotocopiadora
 Internet
 Útiles de escritorio
 Materiales informáticos
 Material Bibliográfico (textos, revistas especializadas, catálogos etc.).

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3.2 MÉTODOS:
Se ha efectuado evaluaciones de los diversos componentes de calderos de
vapor, de sus componentes y elementos que lo constituyen, lo que nos permiten
realizar las acciones correspondientes a la presente investigación.
3.2.1 Se han experimentado diversas acciones de mantenimiento preventivo,
predictivo y correctivo en los diversos sistemas de los calderos de vapor y de
las instalaciones para transporte de vapor, así como también se han recogido
información histórica acerca de experiencias en el mantenimiento de calderos
en el Perú y en otros países.
3.2.2 Se han realizado mediciones y verificaciones durante el funcionamiento de
calderos y durante el proceso de mantenimiento, contrastando los resultados
con los datos que consignan los manuales de operación y de mantenimiento
proporcionados por los fabricantes.

20
IV. CALDEROS DE VAPOR
4.1 ¿QUE ES UN CALDERO DE VAPOR?
En términos muy simples y genéricos podemos decir que un caldero o caldera,
como también se le denomina, es básicamente un recipiente a presión,
cerrado, en el que se calienta agua para uso externo del mismo por aplicación
directa de calor resultante de la combustión de un combustible (sólido, líquido o
gaseoso). Este fluido puede ser calentado hasta su evaporación en el caso de
que el requerimiento sea de vapor de agua.
El diseño y construcción de un caldero de vapor implica la aplicación de
tecnologías como la de los recipientes de paredes delgadas sometidas a
presión.
Fig. 1 Caldero de vapor.
20
presión.
20
presión.

21
NORMAS DE DISEÑO:
Antiguamente, no existía ningún criterio a la hora de diseñar calderas y
recipientes a presión. Ocurrían explosiones por causas desconocidas. Fue
entonces que la American Society of Mechanical Engineers (ASME) comenzó
a crear códigos para utilizar en el diseño y control de los recipientes que
fuesen a trabajar a presión.
La ASME VIII Div. 1, Es la parte encargada de diseño, tiene distintas
partes que comprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas,
conexiones, etc.
Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivel
mundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter),
Diseño de calderas según normativa española UNE 9-300.
Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equipos
este certificada en cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante usa
alguna de estas normas para la fabricación y montaje.
Un caldero es una máquina o instalación, diseñada y construida para
producir vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desde
pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción de
alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de
instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y
presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la

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alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos
industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas
temperaturas y presiones.
En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de
agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como un
combustible, rayos solares concentrados, electricidad etc. para hacerla hervir
y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un espacio
cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de
ebullición del agua según muestra el diagrama de fases, pudiéndose alcanzar
finalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Estos vapores se
concentran en la parte superior del recipiente inicialmente vacío, conocido
como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el
proceso en cuestión.
Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades del
proceso son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera,
especialmente en las grandes instalaciones industriales.
Hay muchos tipos de calderas de acuerdo a las temperaturas y
presiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen de
producción de vapor.
Cabe destacar además, que incluso, para las mismas condiciones
generales, existen un gran número de diseños constructivos en cuanto al
modo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible, forma

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de alimentación del agua y otros muchos factores, lo que hace el tema de las
calderas, objeto de grandes tomos técnicos así como de constante desarrollo.
La función principal de la caldera propiamente dicha, es proporcionar
un medio por el cual el calor procedente de la combustión se transmita al
agua o al vapor que debe ser calentado. El objetivo que persigue el diseñador
es lograr la mejor disposición de la superficie de calefacción, de acuerdo con
las limitaciones en cuanto al espacio disponible y los arreglos necesarios en el
fogón y en los demás componentes. La superficie de calefacción requerida
depende de su clase, si es primaria, secundaria, de supere calentamiento,
recalentamiento, economizador o de calentador de aire.
El tipo de caldera así como la presión y la temperatura de trabajo,
tienen gran influencia sobre el diseño. Una caldera de tubos de humo
remachada, de baja presión, tiene bien poco de común con una planta para
servicio termoeléctrico de 351.5 kg/cm2
(5000 lb/plg2
) de presión. El diseñador
tiene como meta de trabajo la obtención de una eficiencia máxima al costo de
operación más bajo; o bien se propone conseguir un costo inicial mínimo.
Los requisitos de la calidad del vapor, afectan una parte del diseño de la calde-
ra. Si se requiere una calidad de 99.5%, se necesita vapor seco y tienen que
agregarse separadores de vapor. La necesidad de supercalentamiento o de
recalentamiento afecta igualmente el diseño. Si no existe objeción contra el
vapor saturado o húmedo (como por ejemplo en una planta de calefacción), el
diseñador omitirá el equipo de separación y supercalentamiento.

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La circulación del vapor y del agua dentro de la caldera, es decisiva
para la efectividad de la superficie transmisora de calor. Los precipitados o
sedimentos tienen que depositarse en donde no afecten a la superficie
principal de transmisión de calor y de donde puedan ser evacuados por purga
o por limpieza periódicas. Deben tomarse previsiones para una pugna
continua, ya desde el diseño. Algunas calderas necesitarán equiparse con
circulación forzada.
La cantidad de agua contenida en la caldera determina la rapidez con
la que puede calentarse para alcanzar las condiciones de evaporación (o
producción de vapor). Algunos sistemas de calefacción requieren un volumen
grande de almacenamiento, ya sea en la caldera misma, o en tanques de
almacenamiento de agua de alimentación. En las unidades de gran
capacidad, los diseñadores encuentran un incentivo para dar a las superficies
de calefacción las proporciones debidas para el uso óptimo de los niveles de
temperatura que pueden lograrse. En los tamaños chicos, las consideraciones
de carácter económico generalmente imponen la necesidad de buscar la
sencillez de la construcción.
Los materiales y los métodos de construcción están controlados por los requi-
sitos para el trabajo a presión y por el código ASME para calderas y tanques de
presión.

25
4.2 RESEÑA HISTORICA
James Watt, ingeniero escocés del siglo XVIII, fue el primero en
observar que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que
remplazaría la fuerza animal y manual, empezando entonces a desarrollar la
fabricación de calderas de vapor. Actualmente, tenemos los calderos de
biomasa, que se utilizan tanto en ámbitos industriales como en domésticos.
Con el pasar de los años, fueron transformándose en un equipo
indispensable para cada proceso productivo haciéndose cada vez más
pequeñas, eficientes y seguras.Las primeras calderas tenían el inconveniente
que se aprovechaba mal el vapor, así que el primer cambio que hicieron fue
introducir tubos, para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de
los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares , y
si lo que circula es agua se llaman calderas acuotubulares.
Luego en 1844 fueron desarrollados los calderos tipo Lancashire,
compuestas por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 m. de largo,
a través del cual pasaban 2 tubos de gran diámetro llamados fogones y se
instalaba una cámara de combustión a la entrada de cada uno de ellos.
Esta cámara podía ser diseñada para quemar gas, petróleo o carbón.
Los fogones se encontraban rodeados por agua en su exterior y el calor que se
generaba en la cámara de combustión era transferido al agua. Una de las
desventajas era que después de repetidos calentamientos y enfriamientos, se
deterioraban generando infiltraciones de aire que desequilibraban el tiro de la

26
caldera, y a la vez disminuía su eficiencia. Sobre el año 1878 se diseñó la
caldera Tipo Cochran cuya principal novedad fue la introducción de tubos
horizontales en un manto cilíndrico vertical por medio de placas tubulares
bridadas. Esta caldera fue vertical y la caja de humo formaba parte de ella
apernada a un lado.
En 1934 las calderas Cochran alcanzaron un acuerdo con Kirke,
inventor de los famosos tubos Sinuflo, y lanzaron una línea de calderas
horizontales recuperadoras de calor. Fueron muy exitosas, ideales para
generar vapor a partir de gases calientes residuales provenientes de los
procesos de las industrias del gas y del acero.
En 1959 se lanzaron al mercado las calderas verticales Cochran Serie
II con eficiencias térmicas y una gran producción de vapor para su tamaño. Su
operación podía ser completamente automática, operando tanto con
combustibles líquidos como sólidos. La mejora en los materiales y en los
procesos de fabricación se tradujo en que se podían instalar más tubos en
cada unidad, surgiendo así la caldera paquete multitubular.
Estas calderas se clasifican de acuerdo al número de pasos; es decir,
de acuerdo al número de veces que los productos de combustión calientes
pasan a través de la caldera. El diseño más común corresponde a las calderas
de tres pasos, siendo el primero de ellos la cámara de combustión y los dos
siguientes los pasos a través de los tubos.

27
Años más tarde surgen las calderas de llama reversa donde la cámara
de combustión tiene la forma de un dedal; el quemador está instalado en su
extremo abierto normalmente por debajo del centro. La llama retorna sobre sí
misma dentro de la cámara de combustión para volver hacia el frente de la
caldera. Los tubos de humo rodean el dedal y permiten el paso de los
productos de combustión calientes a la parte trasera de la caldera y a la
chimenea.
Para finales del Siglo XX diferentes ingenieros comienzan a desarrollar
las calderas de biomasa que cumplen con un número de principios técnicos
que conducen a una combustión completa, con bajas emisiones, alta eficacia y
que utilizan como combustible la biomasa, o sea, residuos de materia orgánica
que son combustibles renovables, como son: bagazo de caña, huesos de
aceitunas, cáscaras de almendras y nueces, restos de podas, leña de árboles
secos, etc.
En estos tiempos las calderas de biomasa son ampliamente utilizadas
en todos los ámbitos industriales y domésticos porque tienen las ventajas de
utilizar combustibles más económicos y menos contaminantes con el medio
ambiente.
4.3 CLASIFICACION
Existen una gran variedad de tipos de calderos y que se adecúan a diferentes
aplicaciones, en forma amplia podemos clasificarlos en función de lossiguientes
parámetros:

28
a. Uso
b. Presión de trabajo
c. Material del que están construidas
d. Tamaño
e. Contenido de los tubos
f. Forma y posición de los tubos
g. Fuente del calor
h. Clase de combustible
i. Fluido generado
j. Posición del fogón
4.3.1 Según el uso
Partiendo de la simple caldera de casco cilíndrico, se han desarrollado
muchos y variados tipos de unidades generadoras de vapor. Algunos se han
diseñado para proporcionar fuerza en general o calefacción, otros en cambio
se destinan para funciones más especializadas. Sus características varían de
acuerdo con la naturaleza del servicio que prestan.
Las calderas estacionarias se utilizan para calefacción de edificios,
para plantas de calefacción central de servicio público, como plantas de vapor
para procesos industriales, plantas de vapor para centrales termoeléctricas
locales, centrales de fuerza para servicio público (plantas termoeléctricas) o
unidas generadoras para servicios especiales.

29
Las calderas portátiles incluyen las de tipo locomovible usada en los
campos petroleros y en los aserraderos, los generadores de vapor pequeños
y los que se utilizan para malacates de vapor, tan familiarizados con las obras
de construcción. La mayoría de las calderas con caja de fuego de Acero, Se
califican entre las calderas portátiles.
Las calderas para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares, tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto. Una
máquina de vapor complementaria, que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera, es una unidad pequeña, portátil, dedicada a
trabajos auxiliares. Se le utiliza a bordo de los buques, en explotaciones
madereras y las obras de construcción.
Las calderas de calefacción se califican frecuentemente como
residenciales o como comerciales. Se acostumbra también establecer una
diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerza
termoeléctrica. Las grandes unidades utilizadas primordialmente para la
generación de energía eléctrica, son conocidas por el nombre genérico de
centrales termoeléctricas.
4.3.2 Según la presión de trabajo
Calderas estacionarias: para mantener un control de seguridad sobre las
características de construcción de toda caldera estacionaria susceptible de

30
aseguramiento, dicha construcción debe someterse a las normas prescriptas,
por el “Código de Caldera y Tanques de Presión” de la American Society of
Mechanical Engineers - ASME, conocido como el Código de Calderas ASME.
Este código diferencia a las calderas por las siguientes características:
1.- Calderas de calefacción de baja presión: comprenden todas las calderas
de vapor que no exceden de 1.05kg/cm2
(15lb/plg2
) y todas las calderas para
agua caliente que operan a presiones que no exceden de 11.25kg/cm2
(160lb/plg2
) y cuyas temperaturas no sobrepasan los 121°C (250°F).
2.- Calderas para generación de Fuerza: Se consideran dentro de esta
sección todas aquellas calderas cuyas condiciones de operación sobrepasan
los límites señalados en el párrafo anterior.
3.- Se consideran como calderas de miniatura, todos aquellos tanques de
presión sometidos a fuego, que no exceden los límites siguientes:
a.- Diámetro interior del casco: 406mm (16plg)
b.- Volumen máximo de 0.141m3
(5ft3
) excluyendo la cubierta y el aislamiento
c.- Superficie de calefacción de 1.86m2
(20ft2
)
d.- 7kg/cm2
(100lb/plg2
) de presión máxima de trabajo.
4. Calderas de locomotoras: Las calderas movibles para locomotoras de
ferrocarril, se construyen también de acuerdo con el Código de Calderas
ASME.

31
5. Calderas Marinas: Las calderas marinas se construyen de acuerdo con los
reglamentos denominados “Reglamentación de Ingeniería Naval y
Especificaciones de Materiales”.
4.3.3 Según el tipo de material de construcción.
Las calderas para la generación de fuerza se construyen usualmente
con aceros especiales. Las calderas de miniatura se pueden fabricar de
otros metales, como cobre, acero inoxidable y similar. Las calderas de
calefacción de presión baja, se fabrican por lo general, de hierro colado o de
acero, aunque algunas calderas para servicio doméstico, operadas por
medio de gas se manufacturan de tubos de cobre.
Las calderas de hierro colado, producidas por las fundiciones de hierro
gris, se componen de cierto número de secciones, interconectadas por
niples de presión o individualmente por medio de cabezales exteriores.
Las calderas son fabricadas con láminas de acero, procedentes de los
trenes de laminación y con fluses de acero. Las planchas de acero son
unidas por medio de costuras de remaches o por costuras de soldadura.
4.3.4 En función del tamaño
La industria de caldero ha reconocido las normas del Instituto de
Calderas de Acero y las del instituto de Manufactureros de Calderas y
Radiadores.

32
- Calderas de Acero.- El instituto de Calderas de Acero, estandariza el
tamaño y clasificación de las calderas de fogón de acero, calderas
escocesas, quemadores para calderas y calderas de acero para calefacción
(con la excepción de las calderas verticales que operan a más de 1kg/cm2
).
- Calderas de Hierro Colado.- El “Código de Pruebas y Estimaciones para
Calderas de Calefacción de baja Presión” del IBR establece las normas de
las calderas de hierro colado para calefacción (hasta una presión de
1.05kg/cm2
(15lb/plg2
)), catalogándolas en la llamada “Categoría treinta y
tres” (para un rendimiento hasta de 3143 Kg. de vapor por hora).
4.3.5 En función del contenido de los tubos
Además del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero; hay dos otras
clases de amplio uso y son:
- Calderas de tubos de fuego o Pirotubulares.- Estas son calderas dotadas
de tubos rectos, rodeados de agua. La llama se forma en el hogar pasando
los humos por el interior de los tubos para ser conducidos a la chimenea;
presentan una elevada perdida de carga en los humos. Estos tubos se
instalan normalmente en la parte inferior de un tambor sencillo o de un caso,
abajo del nivel del agua.
En este tipo de calderos, el fluido en estado líquido se encuentra en un
recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula fuego y gases
producto de un proceso de combustión.

33
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes
características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de
disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de
transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de
vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de
brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en
otra cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas
atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida
de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado
agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz
superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior
y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un
soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose
como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar
las conexiones a instalación.
La caldera, una vez realizadas las pruebas y comprobaciones
reglamentarias y legales por una Entidad Colaboradora de la Administración,
se entrega adjuntando un "Expediente de Control de Calidad" que contiene
todos los certificados y resultados obtenidos.

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En este tipo de calderas los gases de combustión circulan por el interior
de los tubos y manejan presiones de operación de 0-300 PSIG.
VENTAJAS:
 Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.
 Mayor flexibilidad de operación.
 Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
 Son pequeñas y eficientes.
 Inconvenientes:
 Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
 No son empleables para altas presiones.
- Calderas de tubos de Agua o Acuotubulares.- En estas calderas los tubos
contiene en su interior el vapor o el agua, mientras que el fuego es aplicado
en la superficie exterior de los mismos. Los tubos generalmente unidos a uno
o más domos. Los domos van colocados horizontalmente por lo regular. La
llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara
de combustión. Soporta mayores presiones en el agua, pero es más cara,
tiene problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica.
En este tipo de calderas, el fluido de trabajo se desplaza a través de
tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales
termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida, y gran capacidad
de generación.

35
Ventajas:
 La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas
presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.
 Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.
 Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE"
(libre de explosiones).
 La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de
humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos.
 El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de
trabajo no excede los 20 minutos.
 Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.
 Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación
automática.
 Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.
 Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-
combustible a presión.
 El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco,
por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor
aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos
de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las
paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el
consumo de vapor hasta en un 20%.

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Inconvenientes:
 Mayor tamaño y peso, mayor costo.
 Debe ser alimentada con agua de gran pureza
4.3.6 Por la forma y posición de los tubos.
La superficie de calefacción de los tubos o fluses se puede clasificar por:
1) La forma de los mismos: rectos, curvos o sinuosos
2) Su disposición: horizontal, inclinada o vertical.
4.3.7 Según la fuente de calor.
El calor puede darse como resultado de:
1) La combustión de combustibles
– Sólidos: engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas y suciedad
que generan y el difícil control de la combustión.
– Líquidos: el combustible deber ser pulverizado o vaporizado para que
reaccione con el aire.
– Gaseosos: de combustión más fácil pero más peligrosa que los líquidos
2) Los gases calientes de desperdicio de otras reacciones químicas
3) La aplicación de energía eléctrica
4) El empleo de energía nuclear.
4.3.8 Por el tipo de combustible.
Frecuentemente se diseñan las calderas de acuerdo con el combustible
a emplear, por ejemplo, carbón bituminoso, antracita, carbón pulverizado, gas,
petróleo, leña y bagazos u otros productos de desperdicio.

37
4.3.9 Por el tipo de fluido obtenido
La idea general de una caldera se concibe como un recipiente de
presión, dedicado a producir vapor de agua. Sin embargo una gran mayoría
de calderas residenciales y muchas de tipos más grandes, tienen como
finalidad el calentamiento de agua. Algunas calderas para procesos
industriales se destinan al calentamiento de productos químicos especiales,
tales como la Dowtherm. En algunas plantas de centrales termoeléctricas, se
han instalado calderas a base de mercurio.
4.3.10 Por la posición del fogón.
La caldera es un dispositivo de calefacción eterna, en el que la
combustión tiene lugar fuera de la región del agua. Todo el calor necesita ser
transmitido por la superficie de calefacción para entrar en contacto con el
agua. La localización del fogón en relación a la caldera, se indica ya en la
descripción del hogar, que puede ser interno o externo, según las
consideraciones siguientes:
1.- El hogar es interna si en la cámara en la que se desarrolla la combustión
está totalmente rodeada por superficies enfriadas por agua, tal como sucede
en las calderas de tipo escocés o en las calderas portátiles con fogón en
forma de caja.
2.- El fogón es de combustión externa, si éste es auxiliar a la caldera o si está
construido debajo de la misma. La mayoría de las calderas que se
manufacturan en la actualidad, son de hogar interno.

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Partiendo de la simple caldera de casco cilíndrico, se han desarrollado
muchos y variados tipos de unidades generadoras de vapor. Algunos se han
diseñado para proporcionar fuerza en general o calefacción, otros en cambio
se destinan para funciones más especializadas. Sus características varían de
acuerdo con la naturaleza del servicio que prestan.
Las calderas estacionarias se utilizan para calefacción de edificios,
para plantas de calefacción central de servicio público, como plantas de vapor
para procesos industriales, plantas de vapor para centrales termoeléctricas
locales, centrales de fuerza para servicio público (plantas termoeléctricas) o
unidas generadoras para servicios especiales.
Las calderas portátiles incluyen las de tipo locomovible usada en los
campos petroleros y en los aserraderos, los generadores de vapor pequeños
y los que se utilizan para malacates de vapor, tan familiarizados con las obras
de construcción. La mayoría de las calderas con caja de fuego de Acero, Se
califican entre las calderas portátiles.
Las calderas para servicios secundarios son invariablemente
consideradas como auxiliares, tales como las que se usan a bordo de los
barcos para cubrir sus necesidades durante la estancia en puerto. Una
máquina de vapor complementaria, que por lo general se supone que va
dotada de su propia caldera, es una unidad pequeña, portátil, dedicada a
trabajos auxiliares. Se le utiliza a bordo de los buques, en explotaciones
madereras y las obras de construcción.

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Las calderas de calefacción se califican frecuentemente como
residenciales o como comerciales. Se acostumbra también establecer una
diferencia entre las instalaciones industriales y las plantas de fuerza
termoeléctrica. Las grandes unidades utilizadas primordialmente para la
generación de energía eléctrica, son conocidas por el nombre genérico de
centrales termoeléctricas.
4.4 PARTES PRINCIPALES
Para comprender cabalmente el funcionamiento de un caldero por
supuesto, ejecutar el mantenimiento adecuado, es necesario conocer
detalladamente las partes del caldero, en este capítulo resumiremos la parte
fundamental de estos componentes, incidiendo en su función en el equipo.
Las partes que se tratarán como unidades importantes para calderos
pirotubulares y acuotubulares y analizar algunos conceptos modernos para su
construcción son: tambor de vapor tambor de lodos, horno, precalentador de
aire, sobrecalentador zona de convección, economizador calentador de aire,
chimenea y el sistema de purgas o extracciones de fondo de la caldera.

40
Disposición general de una caldera acuotubular – partes principales
Fig. 2 partes principales.
Otras partes de la caldera que podríamos mencionar como sistemas y
que cumplen un rol fundamental en el conjunto son: el sistema de combustión
compuesto básicamente de otros subsistemas como el control de combustión
propiamente dicho y el programador de seguridad de encendido. Otras son, el
sistema de aire de combustión, formado por los ductos de aire, sus accesorios
de control lo los ventiladores de suministro del flujo.
El control de combustión propiamente dicho controla la rata de
producción de vapor, ya sea aumentando o disminuyendo el porcentaje de
suministro de energía y el programador de encendido o supervisor de llama;
éste último no controla, sino vigila las diferentes variables de control para la
toma de decisiones, en cuanto a seguridad de la caldera.
40
40

41
4.4.1 Tambor de vapor o domo principal
El tambor de vapor de la figura No. III-2 es una vista de corte lateral
cilíndrico. El tambor de vapor es un cilindro que puede medir 60” de diámetro
y entre 4 a 5 metros de longitud. Recibe agua de alimentación fresca,
bombeada externamente. En algunas calderas que poseen economizador, el
agua del sistema de alimentación de calderas, (Boiler Feed Water- BFW)
pasa primeramente por el economizador y luego de ganar temperatura, pasa
hacia el tambor de vapor después de haberse precalentado el agua. El tambor
de vapor (Steam Drum) es diseñado para dar cabida al volumen de vapor
requerido en conjunto con el equipo de combustión y sus sistemas de control
de nivel asociados. En resumen, la capacidad de producción de vapor es
función del volumen del tambor y del sistema de combustión. En el tambor de
vapor se realizan las siguientes funciones, principalmente:
Propiciar el espacio suficiente para facilitar la separación agua - vapor en el
proceso de evaporación, para la producción de vapor en la caldera y para
hacer estable el proceso.
Proporcionar un espacio para colectar el volumen de vapor necesario para el
proceso requerido.
Mantener un volumen adecuado de agua para la alimentación a los tubos
bajantes de la caldera y garantizarle un flujo continuo a los tubos
generadores de vapor.
Disponer el área suficiente para acomodar la llegada de los tubos
evaporadores o risers, la salida de los tubos descendentes o downcomers y
la salida de los tubos de vapor hacia el sobrecalentador. El volumen del
tambor de vapor facilita también la circulación natural de la caldera.

42
Facilitar un espacio para adecuar la pureza del vapor.
Disponer de un espacio para el proceso de reacción de los químicos con los
elementos indeseables dentro de la caldera.
Debido a que el vapor producido en la caldera debe ser lo más puro y
seco posible, el tambor de vapor tiene instalados algunos elementos o
accesorios llamados los internos del tambor encargados de retener las
partículas de agua o humedad y otros materiales que el vapor pudiera
arrastrar hacia el Sobrecalentador o hacia los sistemas externos del proceso.
Estos internos tienen forma de bafles, platos perforados, rejillas, ciclones,
secadores de malla, separadores, y otros.
La calidad del vapor el contenido de humedad y es una variable de nito
valor para el proceso que depende de dos factores: diseño y operación.
Desde el punto de vista del diseño, depende de la presión de diseño, del
tamaño del tambor, de su longitud y diámetro, del volumen de vapor
generado, de la relación de circulación agua circulada a los tubos calientes
sobre el vapor generado, del tipo de arreglo de los separadores mecánicos,
de la calidad del agua (BFW) y del arreglo de las tuberías de los tubos
bajantes y elevadores.
Desde el punto de vista de la operación depende de la estabilidad del control
de nivel de agua en la caldera, de la presión de operación, de la carga de
producción de vapor de la caldera, del tipo de carga que sirve y de la calidad
química del agua dentro de la caldera.

43
Características del tambor de vapor
El tambor de vapor es quizá el elemento más importante de una caldera, por
cuanto allí se proceso el producto de la misma. Con una calidad flujo
adecuados para sentir al proceso para el que fue adquirida. El tambor de
vapor aloja en su interior los elementos necesarios para lograr el control
químico del agua y la calidad del vapor.
Otros elementos internos del tambor de vapor son: la línea de agua de
alimentación (BFW), instalada paralela al eje central del cilindro del tambor; la
tubería de dosificación de químicos, que consta de un tubo perforado a lo
largo e igualmente paralelo al eje central del tambor y permite una mezcla de
los químicos con el agua de alimentación dentro del tambor.
Existe también una línea de salida de agua: la línea de extracción de agua o
de control de calidad, llamada purga continúa de la caldera. El significado de
ésta es importante para el tratamiento químico interno dentro de la caldera y
va a incidir en la calidad final del vapor. Dentro del tambor de vapor ocurren
reacciones químicas para depurar la calidad del agua. Estas reacciones
generan lodos que se mantienen en suspensión, que deben ser evacuados
para mantener niveles controlables de contaminantes dentro de la caldera y
minimizar los problemas de inmutaciones o corrosiones en las tuberías.

44
Fig.3Tambor de vapor o domo principal
4.4.2Tambor de lodos
Dispuesto en la parte baja de la caldera, como se muestra en la figura
siguiente, el tambor de lodos colecta las impurezas que se producen del
tratamiento químico del agua. Estas impurezas tienden a depositarse en las
partes bajas, por lo cual allí se van los materiales indeseables e impurezas de
la caldera para, mediante extracciones como las purgas de fondo, mantener
limpia y libre de suciedad la caldera.
Fig. 4 Tambor de vapor – tubos – tambor de lodos.

45
4.4.3 Horno u hogar
El horno de la caldera es el recinto dentro del cual se realiza la
combustión y el proceso de transferencia de calor por radiación. Constituido
por un gran número de tubos que forman el banco generador de la caldera y
las paredes de agua, llamadas así por conformar los límites laterales de la
caldera y que le dan su forma. Dentro del hogar se encuentran los
quemadores de combustibles que se ubican en el mismo plano de una pared
del homo o en las esquinas, para las grandes unidades de generación de
potencia.
El horno, también llamado hogar debe cumplir básicamente con las siguientes
funciones:
• Capacidad de admitir el volumen de aire necesario para la combustión a
plena carga.
• Capacidad suficiente para asegurar circulación adecuada de agua por
los tubos.
- Dimensión suficiente como para evitar que la llama de la combustión
golpee contra las paredes de tubos (Golpe de llama).
- Dimensiones proporcionadas para asegurar un inventario de gases para
la generación de vapor y propiciar la absorción térmica óptima en todas
las partes.
- Soportar los esfuerzos mecánicos por eventuales explosiones internas
dentro de la caldera, evitando daños en equipos externos o daños a
personas.

46
La tubería del hogar debe ser minimizada en el número de soldaduras y
curvas.
Horno paralelo
Se denomina así, cuando los quemadores se colocan al frente y atrás de la
pared posterior del horno. Es decir, quedan enfrentados los quemadores en
paredes opuestas.
Horno turbulento
Se llama así cuando los quemadores están ubicados en las esquinas e
inyectan el combustible en forma tangencial hacia el interior del horno. Este
tipo de homos es ideal para la quema de carbón, pues ofrece mayor
turbulencia y mejor mezcla aire? combustible. Igualmente propicia la
sedimentación de las panículas de carbón.
La figura siguiente, muestra la cámara donde se realiza la combustión. Se
observa la longitud de la llama proporcional a la profundidad del homo.
Fig. 5 Horno u hogar de caldera.

47
4.4.4 Precalentador de aire de combustión.
El aire para la combustión de la caldera, por tomarse directamente del medio
circundante, lleva humedad propia del lugar de la instalación. Esta humedad
produce corrosión de los elementos del interior de la caldera. El primer
contacto que realiza el aire al entrar a una caldera es en el calentador de aire,
por lo cual debe evitarse que la humedad del aire llegue allí. El precalentador
de aire retira la humedad, elevando su temperatura y haciendo más fácil su
recorrido por los ductos hacia la caja de aire.
El problema de la corrosión en la parte extrema de los tubos del calentador,
lado aire, se obvia instalando un precalentador de aire directamente a la
salida de la decaiga del sistema de aire forzado. Este precalentador por lo
general es un serpentín de tubos aleteados de cobre que utiliza vapor gastado
de la planta para calentar por convección el aire de combustión y retirar así la
humedad presente en el aire atmosférico.
Otro de los objetivos que se consigue con este precalentador de aire es
mejorar los potenciales de corrosión de los gases sulfurosos en el calentador
de aire (lado gases).
El aire de combustión que entra a temperatura ambiente (90°F en áreas de
clima templado), gana temperatura en el serpentín de vapor a valores
cercanos a los 120°F y/o 140°F La figura muestra el ducto de entrada del aire
atmosférico a un serpentín de calentamiento o precalentador, para ganar
aproximadamente 30°F de calentamiento y retirar la humedad. En algunas

48
calderas este sistema está implementado por un TRC (controlador de
temperatura). Su control se ajusta pasa darle un diferencial de temperatura de
30°F a 40°F.
Fig. 6 Precalentador de aire con vapor
4.4.5 Sobrecalentador de vapor saturado
El sobrecalentador, es un equipo que ofrece una superficie de
intercambio de calor para elevar la temperatura del vapor saturado y
conseguir temperaturas de sobrecalentamiento, para cumplir los
requerimientos del proceso aguas abajo.
Entre las principales razones para realizar este proceso se tiene:
• Obtener un vapor seco.
• Mejorar la eficiencia total de la unidad
• Adecuar el vapor a las necesidades nominales del equipo que lo requiere.

49
Una de las justificaciones más importantes para adicionar más temperatura al
vapor saturado es que, sobrecalentado, tiene menos tendencia a condensarse
en las últimas etapas de álabes de las turbinas. Aunque la ganancia en la
eficiencia total varía de acuerdo con la presión, se calcula que esta puede
estar alrededor del 3% por cada 100°F de sobrecalentamiento. Pero en
general, el sobrecalentamiento depende de las condiciones que exija la carga
que va a atender.
Los sobrecalentadores son de varias formas y tipos. La manera más práctica
de clasificarlos es teniendo en cuenta su posición dentro de la caldera.
Los sobrecalentadores tipo convección inicialmente se colocaron en la parte
de encima, o detrás, en la profundidad del banco de tubos generador de la
caldera, para apantallar los gases de mayor temperatura de la combustión.
Fig. 7 Sobrecalentador de vapor saturado

50
4.4.6 Economizador
Cuando los gases de combustión dejan la zona de transferencia de
calor por radiación/convección, aún contienen calor que al no recobrarse,
causará pérdidas en la eficiencia de la caldera. Una sustancial porción de ese
calor puede recuperarse con la adición de accesorios intercambiadores de
calor, tales como el economizador (calentadores de agua dentro de la
caldera).
Una forma de recuperar calor de los gases de la caldera consiste en hacer
pasar por un intercambiador comúnmente llamado economizador, los gases
de combustión que recalientan el agua BFW (Boiler feed water), a una
temperatura cercana a la temperatura de saturación del agua dentro del
tambor de vapor.
La localización del economizador varía con el diseño global de la caldera. En
calderas donde no existe calentador de aire, como en muchas calderas
pequeñas de tipo estandarizado, los economizadores pueden instalarse en el
flujo de gases, entre la salida de gases de la caldera y el ventilador o
chimenea. Es conveniente que la ubicación quede de tal modo que los gases
fluyan hacia abajo del economizador, y el agua ingrese por la parte de abajo y
fluya hacia arriba a través de los tubos. Este diseño en contraflujo reduce a un
mínimo la superficie y las pérdidas de tiro del ventilador. El flujo de agua hacia
arriba elimina inestabilidad en el flujo da más uniformidad a la distribución de
gases y hace posible un apropiado uso como la vaporización del
economizador, lo que significa que algo de vapor es generado en una

51
proporción del agua saliendo. En grandes calderas de altas presiones, en las
que se deseen altas eficiencias, los economizadores de bajas temperaturas
llamados de chimeneas frías, son colocados después del calentador de aire.
Fig. 8Economizador
El economizador recalienta el agua de alimentación BFW a una temperatura
aproximada a la temperatura de saturación del agua dentro del tambor de
vapor. Cuando no se usa economizador, el agua entra a la caldera más fría
respecto al agua del tambor, generando un enfriamiento relativo dentro del
tambor de vapor, por lo cual el sistema dentro del tambor debe recuperar la
temperatura, teniendo que volver a conseguir las condiciones de evaporación
en el tambor. Esto no sucede con la presencia del economizador y el sistema
se mantiene en condiciones de evapora continua, descargando un poco el
sistema de combustibles. El economizador permite mejorar la eficiencia total
hasta el 1%, por cada ID u 11°F de incremento en la temperatura del agua.
El economizador puede estar situado dentro de la caldera, aprovechando la
zona de convección o puede ser externo donde, por razones de espacio, no
se puede aplicar el arreglo anterior, o por aprovechamiento de flujos externos
de vapor gastado.

52
4.4.7La chimenea
La Chimenea es el Conducto vertical disponible para llevar a la salida
final de la caldera los gases de la combustión. Las primeras calderas de tipo
industrial y los pequeños hornos de proceso, operaban con tiro natural por
efecto chimenea. El efecto chimenea es la diferencia de presión causada por
la elevación entre dos localizaciones en doctos que transportan gases
calientes por tubos verticales. Este efecto se da por convección.
Para grandes unidades de generación de vapor, equipadas con
economizadores, sobrecalentadores y en especial calentadores de aire, no es
práctico ni económico operarIas con el solo tiro de la chimenea, debido, a los
altos niveles de tiro que estos equipos deben manejar. Estas unidades
requieren ventiladores adicionales al efecto del tiro natural. La combinación de
tiro inducido y chimenea no es comúnmente utilizada.
La altura y diámetro de la chimenea, para unidades de tiro natural, tienen que
ver con:
• Las pérdidas de tiro a través de la caldera, desde el horno a la entrada
a la chimenea.
• La temperatura promedio de los gases que pasan hacia la chimenea y
la temperatura del aire en los alrededores.
• El flujo de gases requerido y
• La presión barométrica del lugar.

53
En la chimenea deben controlarse los niveles de corrosión para evitar una
caída accidental, cuando la fuerza del viento empuje contra la corroída
estructura.
La chimenea adquiere gran importancia, debido a las regulaciones
ambientales. Las nuevas políticas de control ambiental sobre las emisiones y
control de partículas, hacen que la chimenea ahora tenga alturas mínimas.
Con el fin de hacer un control isodinámico de los gases de la combustión, las
regulaciones están recomendando alturas que hagan menos impactantes las
partículas a las poblaciones.
4.4.8 Sistema de extracciones de fondo y purga de la caldera
El sistema de purga continua y fondo, visto como un sistema de control
de calidad, se muestra en la figura siguiente. La primera, la purga continua,
que como su nombre lo indica es un drenaje continuo que se realiza a la
caldera, tiene como función el control químico del agua dentro de la misma.
La purga continua es un drenaje permanente que sale desde el tambor de
vapor y su función es mantener la calidad del agua en la caldera. Su flujo va
al tambor de purga continua, donde parte de la energía, se recupera por
efecto de flushing del agua caliente en un recipiente de este aun cabezal de
vapor, como recuperación de vapor.

54
Fig. 9 Extracciones de fondo y purga continua
La otra purga llamada extracciones de fondo, se origina por la extracción de
los lodos desde el tambor inferior y descarga en el mismo tambor de purgas.
El agua pasa después por vasos comunicantes al otro tambor, que se conecta
a la atmósfera a través de un venteo superior y finalmente se descarga de
este último tambor al drenase de la planta.
4.4.9 El quemador
Las calderas industriales por lo general utilizan el gas y el diesel
combustible o un crudo como insumo energético. La capacidad de generación
de vapor de la caldera se mide por la potencia térmica que soporta el
quemador, manejando un determinado combustible por el número de
quemadores. Cuando existen quemadores duales para gas y combustóleo, no
se deben operar simultáneamente con los dos combustibles, ya que la
capacidad de soporte térmico es sólo para un combustible. De lo contrario, el
quemador se fundiría en sus componentes de acero y carbón.

55
Los quemadores son los equipos encargados de suministrar y
acondicionar el combustible para que, mezclado con el aire en presencia de
llama, se obtenga una eficiente combustión. La llama de la combustión debe
ser estable, uniforme y de apariencia oxidante, de manera que se realice una
distribución adecuada de calor en el hogar. Normalmente una caldera viene
diseñada para operar con dos tipos de combustibles: gas y combustible
líquido o fuel oil, llamado también, combustóleo No. 6. La figura siguiente
muestra en la parte superior la pistola del quemador de aceite y en la parte
baja, el quemador de gas (dos tipos de anillo en la derecha, y de tipo lanza en
la izquierda. El tubo-guía del quemador de aceite, lleva un difusor en el
extremo de la boquilla del quemador, que en esta figura no aparece dibujado.
Fig. 10 Quemadores de petróleo
La atomización es el proceso responsable de pulverizar el combustible
líquido para hacer combustión. El difusor de aire, del dibujo adjunto, es un
elemento complementario al trabajo de los registros de aire. El anillo gas de la
derecha, ver figura, muestra en su parte interna además de los orificios de
salida, unas boquillas de mayor diámetro, denominadas spuds, que buscan

56
mantener la confiabilidad del suministro de gas a la caldera por posibles
taponamientos de los orificios planos, debido a las impurezas que lleva el gas.
Esto le permite al quemador el manejo de los eventuales fenómenos del
efecto pulsación.
Quemador de gas
El quemador de gas es una cámara o anillo toroidal. Esta disposición
permite mayor confiabilidad de la operación del anillo al asegurar el flujo de
gas, aunque los orificios superficiales se taponen con el tiempo. Las boquillas
permiten al anillo operar sin mayor restricción de gas al quemador. El dibujo
del anillo de gas también muestra el tubo de admisión, junto al cual va una
junta de expansión que no se dibujó y que sirve para proteger el anillo del
sobre esfuerzo, cuando la caldera está en el proceso de expansión, al
calentarse inicialmente en su arrancada.
El gas combustible que sale por los orificios y se dirige, por la acción de
la rotación del aire de los registros, en forma tangencial hacia la garganta
(Ollas) del quemador, forma un cono de combustión que se esparce por el
horno en forma de energía radiante. La reacción química del aire y el
combustible, generan el desprendimiento de calor radiante y de convección.
El gas, por su naturaleza, es un combustible que requiere para cantidad de
aire, en comparación con el que requiere el combustible líquido. La
combustión con gas no produce mucho hollín ni cenizas y no hay tampoco
sales de azufre. En general, el gas combustible ofrece mejores garantías en
combustión que el combustible liquido, pues no se requiere de

57
almacenamiento, ni calentamiento para la combustión; se requiere un bajo
mantenimiento de las superficies de transferencia de calor y se manejan bajas
frecuencias de deshollinado. El gas no necesita fluidos de atomización. El
costo del gas combustible, en general, es mayor que el del combustible
liquido, pero en el largo plazo su uso es más favorable económicamente, por
el bajo mantenimiento de las superficies de transferencia de calor.
Quemadores de aceite
El combustible líquido, por razón de su estado, debe ser atomizado
para incrementar la superficie de contacto del combustible con el aire y
facilitar el proceso de combustión. La atomización es el proceso que se
realiza para pulverizar en pequeñas gotas el combustible líquido y propiciar
que éste se convierta en microscópicas góticas de vapor combustible para su
adecuada combustión en un tamaño tal, que cuando hace ignición en la salida
de la boquilla, avanza por la zona de radiación como una pequeña bola de
fuego, consumiéndose hasta extinguirse antes de salir del homo Esta
pulverización se realiza generalmente con el vapor de agua producido por la
misma caldera, pero también se utiliza el aire como elemento de atomización.
Aunque el vapor produce una buena atomización, presenta como desventaja
que tiene un mayor contenido de agua en los gases de combustión. Como
característica de reducción del impacto ambiental, al atomizar con vapor el
proceso de combustión produce menor cantidad de óxido de nitrógeno, por
una menor temperatura de la combustión. El fuel oil, por ser combustible
líquido, requiere mayor cantidad de aire.

58
Un elemento importante y complementario al trabajo de los registros de
aire, es el difusor de aire que, como ya se dijo anteriormente, sirve para
ajustar aire a la combustión en el quemador, ya sea cuando quema gas o
aceite. Este elemento montado sobre el tubo-guía da aire complementario o
secundado para estabilizar y dar forma a la llama.
La figura siguiente, muestra en la parte superior el quemador de aceite
armado, con el difusor en un extremo montado sobre el tubo guía. En la parte
baja de esta figura, se muestra el quemador de aceite con el difusor aislado.
También se muestra el quemador de aceite con las entradas del
combustible, aceite y vapor de atomización a la pistola en la parte baja de la
fig. 11.
Fig. 11 Ensamble del quemador de aceite
Pulsación de un quemador
Uno de los problemas desconcertantes asociados con los quemadores
de gas, y un poco menos frecuente en los quemadores de aceite, es la
pulsación del quemador. Este problema aparece como resultado de la

59
combinación del tamaño de la cámara de combustión y de la configuración,
asociada con algunas características de los quemadores, quizá una mezcla
demasiado perfecta del combustible y del aire en el quemador sean la causa
de esta pulsación.
Fig. 12 Pulsador
Cuando uno o más quemadores de una caldera comienzan a pulsar, la
estructura global de la caldera se agila violentamente, como un fenómeno de
resonancia. Por lo general, haciendo un ajuste en un quemador, se detiene la
pulsación. A veces con menores ajustes del quemador, se elimina la
pulsación. No es conveniente permitir este fenómeno, por cuanto las tuberías
de la caldera pueden sufrir aflojamientos en los puntos de unión con los
tambores presentándose fugas de agua. En otras circunstancias, es necesario
alterarlos quemadores. Estas alteraciones podrían incluir la modificación de
los orificios de salida del gas combustible, de tal manera que se dirijan las
corrientes de gas entre sí, oponiéndose una contra otra o utilizando
dispositivos que alteren efectivamente la mezcla del gas con el aire. Para
evitar pulsaciones, los fabricantes incorporan las últimas novedades
disponibles dentro de los quemadores y del horno. Por ejemplo, las boquillas

60
que se instalan en intervalos del anillo de gas, una frente a otra, ayudan a
evitar este fenómeno. Esto se conceptuó en el párrafo anterior. Un ligero
cambio en el flujo de gas de combustión puede eliminar la pulsación.
4.4.10 Ventiladores de aire/ gases
Aire de combustión
El aire de la combustión es proporcionado por los ventiladores de aire
forzado e inducido. El ventilador debe tener la capacidad de suministrar el
aire requerido para dar la capacidad de producción nominal de la caldera,
más un incremento por encima de lo nominal llamado capacidad de carga
pico. Esta capacidad extra se mide por lo general como el 10 % por encima
de la nominal por un determinado tiempo. Se conocen datos típicos de
calderas de 300.000 libras por hora, con picos de 25.000 libras por hora por
30 minutos. Esta capacidad pico busca tener un exceso de disponibilidad de
la caldera, en momentos en que otra de las calderas que opera, sale de
servicio y mientras se hacen los ajustes de parada, se utiliza esta
disponibilidad pico.
Los ventiladores de las calderas son de dos tipos: de tiro forzado y de
tiro inducido, el conjunto de ambos en la misma caldera se denomina tiro
balanceado. Los primeros son los responsables de forzar el aire de
combustión hacia la caldera. Los segundos succionan los gases desde el
horno hacia la parte externa de la caldera. Las calderas de tiro balanceado
requieren los dos tipos de ventiladores. Este esquema balancea los gases
de la combustión y el aire, de forma que mantiene la combustión en

61
condiciones tales que la llama de los quemadores no golpea las paredes de
la caldera.
La posición o estrangulamiento del registro, le da al quemador su
propia condición de combustión. No todos los quemadores con el mismo
ajuste dan el mismo resultado sobre la combustión o se comportan igual. El
horno mantiene un estado de equilibrio de presión acondicionado entre la
combustión y su inventario de gases (presión y succión de ventiladores). Un
nuevo quemador que requiera la caldera o un aumento de carga, dependerá
de la condición de presión existente del horno, es decir, que la rata de
quemado de la caldera, con el nuevo quemador, no deberá exceder la
presión del horno a la capacidad máxima de carga nominal.
Cuando una caldera se encuentra operando en la condición nominal de
carga, su inventario de gases en el homo será tal que un incremento de
carga, acarreará una sobrepresión del horno, con el resultado de un
incremento del tiempo de residencia de los gases en la caldera, con posible
recalentamiento de los tubos. En estos casos, cuando existen tubos
fisurados o agrietados por otras consecuencias, puede producirse el daño de
la caldera.
4.5 DETERMINACION DE LOS PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO
Los calderos requieren de ciertas técnicas operativas para su correcto
funcionamiento. Estas técnicas consisten en controlar determinados
parámetros en los rangos adecuados, de acuerdo al tipo y capacidad de las

62
calderas. En esta sección resumiremos algunos de estos parámetros y sus
rangos de funcionamiento, lo que posibilitará que el mantenimiento sea mas
eficiente y de menor costo.
4.5.1 ELEMENTOS PRINCIPALES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UNA
CALDERA
Fuego: Debe existir un buen proceso de Combustión.
Agua: Deben existir rigurosos controles de su calidad.
Áreas de Intercambio de Calor: Los tubos y superficies de intercambio deben
estar en óptimas condiciones de limpieza.
a) Fuego
El proceso de combustión es de gran importancia en la operación de las
calderas, debe ser lo más optimo posible en cuanto a su consumo y además
amigable con el medio ambiente. Para que se dé el proceso de combustión es
necesario que exista un combustible, un comburente (aire) y un agente
externo que produzca la ignición (chispa), cuando esto ocurre se da una
reacción química del combustible con el oxigeno, para producir gases de
combustión y liberar energía en forma de trabajo y calor, la cual es
aprovechada en las calderas para evaporar el agua.
En la sección respectiva, se mostrará los diversos tipos de combustibles para
calderas con su poder calorífico inherente.

63
b) Agua
El agua obtenida de ríos, pozos y lagos es denominada agua dura o agua
bruta y no debe utilizarse directamente en una caldera.
El agua para calderas debe ser tratada químicamente mediante procesos de
descarbonatación o ablandamiento, o desmineralización total, adicionalmente,
según la presión manejada por la caldera, es necesario controlar los sólidos
suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material orgánico,
gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la
caldera sufrirá problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por
material particulado, etc., lo que disminuirá notablemente su rendimiento.
c) Superficie de intercambio de calor
La tubería por la que circulan los gases en las calderas pirotubulares o el agua
en las acuotubulares es fundamental para una eficiente transferencia de calor.
De la buena combustión y tratamiento de agua, así como de las características
físicas del material de intercambio de calor depende que el flujo de energía de
los gases de combustión hacia el agua sea lo más eficiente posible.
d) Características de la carga
Para el diseño de una unidad generadora de vapor, es necesario determinar
las siguientes características de la carga:
1. Carga mínima, normal y máxima.
2. Duración de cada una de esas fases de la carga.
3. Factor de la carga.
4. Naturaleza de la carga, constante o intermitente.

64
El diseño determinará la capacidad de la caldera para sostener una
carga normal con una eficiencia alta, así como para responder a una demanda
alta y los cambios bruscos de la carga. Determinará también las pérdidas por
trabajo en vacío y la rapidez con la que la unidad puede calentarse hasta
hacer vapor a su plena capacidad. En las calderas de tamaño chico, es
posible seleccionar una unidad de fabricación estándar, que satisfaga más o
menos todas las condiciones requeridas; las unidades más grandes precisan,
casi invariablemente, una construcción individual.
e) Características del combustible
Las bases para el diseño de los mecanismos destinados a quemar, son
determinados por las cualidades del o de los combustibles que han de
emplearse. El diseñador tiene que considerar no solamente la clase de
combustible que se puede obtener, sino también su valor calórico y sus
propiedades. Debe también investigar las propiedades de las cenizas, inclu-
yendo:
 Punto de fusión de la ceniza,
 Pérdidas por combustible no quemado (carbón en la ceniza suelta y en los
desperdicios), y
 Presencia de azufre, vanadio y otros elementos extraños.
f) Sistemas de combustión
El tipo de equipo para quemar el combustible y el método de su aplicación,
impone las condiciones para el diseño del fogón en mayor grado; y en
proporción menor también para el diseño de la caldera. Los combustibles

65
sólidos se queman en fogones mecánicos o en parrillas, en forma de polvo o
triturados. Los quemadores de aceite combustible se obtienen en numerosos
tipos que incluyen los de vaporización, rotatorios, de cañón, y los de
atomización por vapor o por aire. La capacidad del equipo de combustión o el
tamaño de la parrilla, determina la cantidad de combustible aplicable. Cada
método de combustión tiene sus propias necesidades y peculiaridades de
diseño. Los quemadores de aceite combustible, que son más pequeños,
requieren una cámara de combustión. Algunos quemadores mecánicos de
combustible sólido, precisan de un enfriador de escorias; otros necesitan
medios auxiliares para prevenir la coquización del combustible y las
dificultades provenientes de la conversión de cenizas en escoria.
g) Flujo de los gases
Para mantener la combustión es indispensable suministrar aire y desfogar los
productos de la combustión. La corriente necesaria de los gases es originada
por la diferencia de presiones entre el fogón y el punto de escape de los gases
de la caldera, o sea el tiro; éste se puede conseguir por medios naturales
(efecto de chimenea) o por medios mecánicos (ventiladores). El tiro por
elementos mecánicos puede ser originado por ventiladores de tiro forzado, de
tiro inducido, o de ambas cosas a la vez.
En adición a las necesidades teóricas, es indispensable suministrar exceso de
aire, para asegurar una cantidad suficiente de oxígeno para la combustión.
Este excedente puede variar, de un porcentaje abajo del 10% para quemar
carbón pulverizado, hasta 50% para alimentador de carbón o 100% para

66
alimentación manual de combustible. El porcentaje del exceso de aire tiene
influencia sobre la capacidad de la caldera, la temperatura del fogón y la
eficiencia total de la unidad.
Los dispositivos del tiro comprenden el aire primario, el aire secundario, así
como los aditamentos para su correcta regulación y proporciones. La mezcla
íntima del combustible con el aire, es auxiliada en algunos casos utilizando
aire adicional por encima del fuego, cuando se opera con inyectores de aire o
de vapor.Unidades de alta eficiencia requieren el precalentamiento del aire de
la combustión, quedando la temperatura limitada únicamente por la capacidad
del equipo de combustión.
La resistencia por fricción crea una caída de presión a través de la unidad, que
determina la magnitud del tiro. Con regímenes de combustión altos, las nece-
sidades de tiro aumentan, requiriéndose motores más grandes para los
ventiladores o chimeneas de mayor altura. Sí la proporción de combustión es
extremada, una cantidad de combustible es arrastrada a través de los pasos
de la caldera y descargada por la chimenea. Si el humo, cenizas u hollín
constituyen una molestia, será necesario instalar colectores de ceniza o
modificar el método de combustión.
h) Agua de alimentación
El agua que se introduce a la caldera para ser convertida en vapor, recibe el
nombre de agua de alimentación. Si se trata de condensado que es
recirculado, habrá pocos problemas. Pero si es agua cruda, probablemente

67
habrá necesidad de liberarla de oxígeno, precipitados, sólidos en suspensión,
sustancias incrustantes y oíros elementos contaminantes. La presencia de
ingredientes que provocan la formación de incrustaciones, espumas o arrastre
de agua con el vapor, afectarán desfavorablemente, en todos los casos, el
funcionamiento de la caldera. Para obtener eficiencias altas, el agua de ali-
mentación es calentada, generalmente, por medio de economizadores.
i) Fogón
La proporción de calor liberado y la temperatura sostenida del fogón, afectarán
a los materiales de las paredes del mismo y con tal motivo rigen su cons-
trucción, Si la temperatura o la erosión provocan una destrucción prematura
de las paredes refractarias, lo indicado será colocar paredes enfriadas por
agua. La cámara de combustión debe tener el espacio suficiente para
contener la flama. La forma del fogón se guía por el tipo de combustible a
emplear y por el método seguido para quemarlo. Es necesario tomar las
debidas providencias para mantener la ignición y la combustión de los gases
volátiles.
j) Fondo del fogón
La recolección y el retiro de las cenizas de una unidad alimentada con carbón
mineral, es una operación laboriosa. Los desechos pueden ser removidos a
mano en las calderas chicas o recolectados en tolvas en las grandes. En
algunas calderas de gran tamaño, es desfogada la escoria fundida por
sangrías. Para el manejo de las cenizas se usan botes, carretillas de mano,
camiones, góndolas de ferrocarril o transportadores neumáticos. La ceniza

68
que se retira puede ser seca o apagada (mojada). A veces es sacada "en
bruto" (tal como sale) o las escorias se muelen. Con frecuencia se utiliza para
la fabricación de bloques o para balasto en las vías férreas.
La caldera
La función principal de la caldera propiamente dicha, es proporcionar
un medio por el cual el calor procedente de la combustión se transmita al agua
o al vapor que debe ser calentado. El objetivo que persigue el diseñador es
lograr la mejor disposición de la superficie de calefacción, de acuerdo con las
limitaciones en cuanto al espacio disponible y los arreglos necesarios en el
fogón y en los demás componentes. La superficie de calefacción requerida
depende de su clase, si es primaria, secundaria, de super calentamiento,
recalentamiento, economizador o de calentador de aire.
El tipo de caldera así como la presión y la temperatura de trabajo,
tienen gran influencia sobre el diseño. Una caldera de tubos de fuego
remachada, de baja presión, tiene bien poco de común con una planta para
servicio termoeléctrico de 351.5 kg/cm2
(5000 lb/plg2
) de presión. El diseñador
tiene como meta de trabajo la obtención de una eficiencia máxima al costo de
operación más bajo; o bien se propone conseguir un costo inicial mínimo.
Los requisitos de la calidad del vapor, afectan una parte del diseño de
la caldera. Si se requiere una calidad de 99.5%, se necesita vapor seco y
tienen que agregarse separadores de vapor. La necesidad de super
calentamiento o de recalentamiento afecta igualmente el diseño. Si no existe
objeción contra el vapor saturado o húmedo (como por ejemplo en una planta

69
de calefacción), el diseñador omitirá el equipo de separación y súper-
calentamiento.
La circulación del vapor y del agua dentro de la caldera, es decisiva
para la efectividad de la superficie transmisora de calor. Los precipitados o
sedimentos tienen que depositarse en donde no afecten a la superficie
principal de transmisión de calor y de donde puedan ser evacuados por purga
o por limpieza periódicas. Deben tomarse previsiones para una purga
continua, ya desde el diseño. Algunas calderas necesitarán equiparse con
circulación forzada.
La cantidad de agua contenida en la caldera determina la rapidez con la que
puede calentarse para alcanzar las condiciones de evaporación (o producción
de vapor). Algunos sistemas de calefacción requieren un volumen grande de
almacenamiento, ya sea en la caldera misma, o en tanques de
almacenamiento de agua de alimentación. En las unidades de gran capacidad,
los diseñadores encuentran un incentivo para dar a las superficies de
calefacción las proporciones debidas para el uso óptimo de los niveles de
temperatura que pueden lograrse. En los tamaños chicos, las consideraciones
de carácter económico generalmente imponen la necesidad de buscar la
sencillez de la construcción.
Los materiales y los métodos de construcción están controlados por los
requisitos para el trabajo a presión y por el código ASME y de otras
instituciones estandarizadoras, como la DIN (alemana), para calderas y
tanques de presión.

70
Calidad de operación de la caldera
La transmisión de calor no solamente tiene que ser económica, sino
también libre de defectos. Cuando se opere a alta capacidad, los costos de
mantenimiento y los periodos de parada, pueden ser excesivos y anular las
ventajas obtenidas en la operación inicial. Los requisitos de la limpieza y del
mantenimiento tienen que guardar un equilibrio razonable en relación con la
más alta eficiencia de transmisión de calor. Como las decantaciones de hollín
en estas calderas afectan seriamente la eficiencia, en el diseño se deben
tomar previsiones contra la acumulación de cenizas, hollín y escorias en las
superficies del lado del fuego, como también contra la acumulación de lodos,
incrustaciones y sedimentos en las superficies bañadas por el agua.
Los costos de atención, ya sea de ingenieros de operación o de
fogoneros, tienen que ser comparados con los de operación mecanizada. No
se puede esperar que una planta generadora de fuerza de gran capacidad,
pueda trabajar con la mínima atención que requiere una caldera residencial.
Es una condición indispensable que una caldera sea fácilmente
accesible para su mantenimiento, manejo y reparación por parte de su
personal normal de operación, así como para su fácil inspección por parte de
los inspectores de las compañías de seguros independientemente de su
tamaño, tipo o capacidad.
Es necesario, por estas razones, tomar providencias para facilitar la
limpieza de los tubos, química o mecánicamente, para el sopleteo del hollín

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