60294459 calderas

FORMACIÓN CONCEPTUAL
GENERADORES DE VAPOR
“CALDERAS”

GCM INGENIERÍA
gcmingenieria@gmail.com
http://www.inggonzalocastro.tk

CONTENIDO

1.

ASPECTOS
PLANTA

2.

CONCEPTUALES PARA SELECCIONAR UNA
A VAPOR

FACTORES DETERMINANTES PARA LA SELECCIÓN Y DISEÑO
DE EQUIPOS DE UNA INSTALACIÓN PARA PRODUCIR VAPOR

3.

CONCEPTUALIZACIÓN:

4.

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS:

5.

TIPOS DE CALDERAS:

6.

CALDERAS PIROTUBULARES O TUBOS DE
- Características
- Ventajas
- Desventajas

7.

CALDERAS ACUOTUBULARES O TUBOS DE AGUA
- Características
- Ventajas
- Desventajas

8.

CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE UNA CALDERA.

9.

RECOMENDACIÓN PARA LA ADQUISICIÓN DEL GENERADOR
DE VAPOR.
ALGUNOS FABRICANTES/PROVEEDORES A NIVEL NACIONAL
E INTERNACIONAL.
BIBLIOGRAFÍA

10.
11.

FORMACIÓN CONCEPTUAL
GENERADORES DE VAPOR
“CALDERAS”
-------------------------------------------A
continuación,
se
describen
las
generalidades
en
la
transformación exergética del calor usando la transferencia de
calor al agua con el equipo básico llamado GENERADOR DE VAPOR
(steam generator) ó CALDERA (boiler)

1.

ASPECTOS
A VAPOR:

CONCEPTUALES PARA SELECCIONAR UNA PLANTA SEA

Determinación de la demanda
Ubicación de la planta
Disponibilidad de combustibles
Establecimiento de la tecnología
Estudio de prefactibilidad
Desarrollo del estudio de factibilidad
Elaboración de pliegos de licitación internacional nacional (equipos mayores y menores), licitación
técnico-económica
Selección del mejor proponente
Inicio del proyecto en sitio - llave en mano
Terminación del proyecto
Pruebas de funcionamiento
Inauguración de la planta
Inicio de la etapa comercial del proyecto
Venta de vapor o de energía eléctrica

2.

FACTORES DETERMINANTES PARA LA SELECCIÓN Y DISEÑO DE
EQUIPOS DE UNA INSTALACIÓN PARA PRODUCIR VAPOR:
Cantidad requerida de vapor o agua cliente
Presión, temperatura o clases de vapor
necesita, producción de vapor
Previsión de necesidades futuras
Localización y objeto de la instalación
Características de la carga
Clase de equipo que se puede obtener
Selección de quemadores

que

se

Selección
de
equipos
auxiliares:
Incluyendo
instrumentos de medición, válvulas de oclusión,
tuberías principales de vapor, tuberías de purga y
alimentación, columnas de agua y tuberías.
Válvulas de seguridad y de alivio incluyendo:
capacidad de descarga y calibración y método de
instalación y tubería.
Valor calórico y característico del combustible
disponiblePlazos de entrega de los equipos.
Limitaciones y condiciones del equipo del espacio
disponible en la instalación
Las
condiciones
por
la
calidad
del
agua
de
alimentación
Condiciones
existentes
en
la
operación
y
mantenimiento
Tiempo de vida
Clase de Tiro
Consideraciones sobre costo de la obra.
El
desarrollo
de
reglas
y
códigos
para
la
construcción de calderas, aprobadas mediante la
inspección por personal competente, es un esfuerzo
que necesita el apoyo de tres sectores, precisando la
cooperación entre:
-

-

3.

El ASME Boiler and Pressure Vessel Committe, que
es la que dicta los reglamentos.
El National Board, que expide las órdenes a los
inspectores,
quienes
hacen
cumplir
los
reglamentos.
Los fabricantes de calderas y tanques de presión
quienes cumplen con las prescripciones.

CONCEPTUALIZACIÓN:
Un generador de vapor (steam generator) se define como una
combinación compleja de:
Economizador(economizar)
CALDERA(boiler)
Sobrecalentador(superhether)
Recalentador(reheater)
Precalentadores de aire(air preheaters)
Equipos auxiliares:
• Alimentador de horno
• Pulverizadores
• Quemadores
• Ventiladores

•
•
•

Equipo de control de emisiones
Chimenea
Equipo de manejo de cenizas

Entonces:

Una CALDERA (boiler) es un componente del
GENERADOR DE VAPOR(steam generator)
donde el
líquido saturado es convertido a vapor saturado.

El término “CALDERA” es usado como significado de
“GENERADOR DE VAPOR”, sin embargo un generador de vapor se
clasifica en diferentes vías, por ejemplo:
•

UTILITY STEAM GENERATORS, son aquellos usados en el
servicio de la generación de potencia eléctrica y
existen como:

•

Subcríticos:
Características:
• Operan entre 130 bar a 190bar.
• Alcanzan hasta 550°C con una o dos etapas de
recalentadores.
• Capacidad, en los modernos podemos alcanzar de 1
a 10 millones Lbm/hora de vapor.
En la planta eléctrica la potencia de salida
está en el rango de 125 a 1300megawatts (MW).

•

Supercríticos:
Características:
• Operan por arriba de 3208.2 psia, usualmente con
una presión de 3500psia (240bar).

•

INDUSTRIAL STEAM GENERATORS, son aquellos que se
utilizan en la industria pequeña de generación
eléctrica,
establecimientos
institucionales,
industriales, comerciales y en muchos usos más como
en:
•

Industria Alimentaria
-

Conserveras
Embotelladoras
Precocinados
Aceites
Mataderos
Licoreras y alcoholeras

•

Cerveceras
Lácteos
Bodegas
Piensos

Construcción
•
•
•
•
•
•
•
•

Prefabricados de hormigón
Cerámicas

Industria del Caucho
Valorización de residuos y reciclaje
Plásticos
Lavanderías
Farmacéutica
Química
Papel y Cartón
Industria del Metal

Características:
Estos generadores de vapor pueden alcanzar presiones
hasta de 1500Psig y una capacidad de 1 millón
Lbm/hora de vapor.

4.

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS:
Las calderas se clasifican basándose en algunas de las
características siguientes:
Uso
Presión
Materiales de que están construidas
Tamaño
Contenido de los tubos
Forma y posición de los tubos
Sistema del fogón
Fuente de Calor
Clase de combustible
Fluido utilizado
Sistema de circulación
Posición del hogar
Tipo de fogón
Forma general
Nombre registrado del fabricante
Propiedades especiales

5.

TIPOS DE CALDERAS:
Calderas de acero

Calderas de tubos de humo (Pirotubulares)
Convencional
- De
-

fogón externo
Horizontales tubulares de retorno
De fogón de caja corta
Calderas de tipo compacto

- De fogón interno
- Horizontales tubulares
- Locomóviles
- De fogón corto
- Calderas el tipo compacto
- Calderas tipo escocés
De cabezal posterior seco
De cabezal posterior de agua
De cubierta de agua
- Caldera escocesa tipo paquete
De cabezal posterior seco, de cabezal
posterior de agua y de tapa de agua
De
dos,
tres
y cuatro
retornos
(pasos)
- Calderas verticales tubulares
- Calderas de fuerza, portátil, de cabezal
plano o sumergido
De domo recto
Caldera tipo Manning
Caldera de caja de humo cónica
- Calderas tipo residencial
Recuperadora
Hibridas

Calderas de tubos de agua (Acuotubulares)
-

-

Calderas horizontales de tubos rectos
Calderas de tubos curvados
• De circulación natural
• De circulación forzada
Calderas de cuerpo de acero
Calderas de presión subcrítica
Calderas de presión supercríticas
Recuperadoras (heat recovery steam generator)
Hibridas

Calderas de aceite térmico
Calderas de hierro colado
Calderas de diseño especial
Reactores de energía nuclear

6.

CALDERAS PIROTUBULARES O TUBOS DE HUMO

Caldera Pirotubular Gráfica No. 1

-

Características generales:
-

-

-

-

-

-

Ver gráfica No.1
Se construyen en tamaños de hasta 18000lbm/hora
de vapor.
El Calor
circula por dentro de los tubos y el
fluido frío, agua, por fuera de ellos. El calor
es transferido por medio de los humos o gas de la
combustión.
Los tubos van sumergidos en el agua
La caldera de baja presión está limitada a 15psig
de presión de vapor.
La caldera de vapor para generar fuerza puede
operar a una presión de 300Psig y una capacidad
de 50000Lbm/hora de vapor de agua.
El diseño de una caldera tubos de humo se basa
principalmente en el hogar y en los pasos de los
gases a través de los tubos.
Usan como fluido termodinámico el agua y el
aceite térmico.
Las calderas Pirotubulares se desarrollan en dos
modelos: de horno horizontal y de horno interno o
tipo escocés.
Las calderas pueden ser de tubos continuos o de
tubos de retorno de acuerdo con la dirección del
flujo de gases.

-

-

-

-

-

-

-

Pueden tener un hogar interno o estar dotadas de
un fogón externo.
El cuerpo de la calera de tubos de humo puede ser
cilíndrica o de forma ovalada. En cada extremo se
adaptan cabezales.
Su operación con la nueva tecnología les permite
operar automáticamente.
La línea del nivel de agua se fijan generalmente
en un punto localizado a no menos de 5 cm arriba
del borde de la hilera superior de fluses, o de
la placa de la corona.
El espacio comprendido arriba del nivel agua es
llamado cámara de vapor.
Una presión de 250Psig y una producción de 1000
BHP (Boiler Horse Power, es considerada un tope
práctico para este tipo de calderas
Las calderas de tubos verticales son similares a
las horizontales de tubos de humo, con la
excepción de que los fluses van colocados
perpendiculares a la caja del fogón.
La caldera puede ser de uno, dos y ocasionalmente
hasta de cuatro retornos.
La caldera compacta es una caldera de triple
retorno,
los
límites
de
su
capacidad
se
encuentran entre 350 a 12500 lbm/hora de vapor de
agua.
La caldera escocesa usa un hogar de tubo
corrugado que permite resistir los efectos de de
sobre presiones en la combustión.

Ventajas
-

-

-

Almacenan gran cantidad de agua.
Producen gran cantidad de vapor.
Permiten efectos de fluctuaciones en la demanda
de vapor.
Su costo instalada es relativamente bajo y
considerablemente menor que la correspondiente
caldera Acuotubular de domo.
Son perfectamente adaptables a la producción
estandarizada.
Se construyen de acuerdo con el código de
calderas ASME.
Son eficientes de 79% a 85%.
La caldera escocesa es económica en su costo
inicial, ocupa un mínimo de material refractario
y su instalación es sencilla.
El hogar de la caldera marina escocesa permite
esfuerzos de presión.
La caldera vertical ocupa poco espacio.

-

-

-

Desventajas:
-

7.

La calera compacta adaptable a toda clase de
combustible
y
para
cualquier
sistema
de
combustión.
Fáciles de transportar
Necesitan
relativamente
poca
área
para
su
instalación.
Las calderas escocesas pueden ser operadas bien
con aguas contaminadas.
Se les puede instalar un desgasificador térmico.
Pueden convertirse en calderas hibridas.
Permiten instalarles un sobrecalentador de vapor.

Su arranque en frío es demasiado lento para
alcanzar la presión de trabajo.
Su posibilidad de sobrecalentamiento es limitado
y depende del tipo de caldera.
Con el amento de la demanda de vapor, la
temperatura de los gases se eleva rápidamente.
No se utilizan para el accionamiento de turbinas.
El tamaño de la caja del hogar no puede ser
ampliado.
Su operación se torna crítica al operar con
sobrecarga de más del 40%.
Su mantenimiento interior es dificultoso.

CALDERAS ACUOTUBULARES O TUBOS DE AGUA
Banco Generador

Tambor de vapor

Salida de vapor
Sobrecalentado

Chimenea
Horno

Economizador
Zona de Convección

Sobrecalentador
Tambor de lodos

Ing. Gonzalo Castro

Caldera Acuotubular tipo D: Gráfica No. 2

-

Características generales:
-

-

-

-

-

-

-

-

Ver gráfica No. 2
EL fluido, agua, circula por el interior de los
tubos y por el exterior los gases producto de la
combustión.
Los tubos que manejan agua y vapor, o tubos
descendentes son de acero al carbono
Los tubos que manejan vapor sobrecalentado o
recalentados son de una aleación austenítica.
Los tubos de vapor sobrecalentado son de menor
diámetro que los de agua vapor, llamados tubos de
vapor saturado.
Estas calderas por lo general son de construcción
vertical
Estas calderas se construyen del tipo A, constan
de un tambor de vapor superior y dos tambores de
lodos inferiores interconectados por haces de
tubo laterales, formando una A, la llama de la
combustión queda concéntrica.
Estas calderas se construyen del tipo O, constan
de un tambor de vapor localizado directamente
encima del tambor de lodos, pero de manera que
ambos se encuentran en el centro de la caldera y
los tubos que los unen semejan una O. la llama de
la combustión queda concéntrica.
También se construyen del tipo D, el tambor de
vapor se localiza directamente encima del tambor
de lodos, pero hacia un lado del horno, un haces
de tubos une los tambores verticalmente. Ver
gráfica No. 1 y 2.Estas calderas son las más
utilizadas en un sector de la industria.
Estas calderas requieren de agua de alimentación
con un tratamiento químico exhaustivo.
Estas calderas pueden ser de circulación natural
o forzada.
Las de circulación forzada supercríticas no
utilizan bomba de recirculación, y operan con
presiones de diseños cercanas o por encima del
punto crítico.
Calderas de este tipo y grandes potencias
utilizan atemperadores.
Utilizan calentadores de aire que es el último
dispositivo en recuperar calor de la caldera y se
localiza en la chimenea.
Utilizan precipitadores a la salida de los humo.
Algunas son de tiro inducido, tiro forzado y de
tiro equilibrado o balanceado.

-

Ventajas:
-

-

-

-

-

-

Son de horno propio interior ubicado lejos de la
zona de evaporación
Menor peso por unidad de potencia generada
Son de gran volumen y altura
Admiten gran cantidad de aire en su hogar
La combustión se puede controlar
Son de alto rendimiento y producción de alta
presión,
apta
para
generación
de
energía
eléctrica.
Menor tiempo para levantar presión.
Entre ms alta es la caldera más se aprovecha la
energía calórica de los gases de combustión
Mayor flexibilidad para variaciones de consumo,
debido a la pequeña cantidad de agua que
contienen
La posición de sus quemadores en diagonal son
aptos para quemar carbón
Puede quemar combustible líquido, gaseoso, sólido
y biomásico.
Producen un vapor seco por lo que en el sistema
de
transmisión
de
calor
existe
un
mayor
aprovechamiento.
Mayor flexibilidad para variaciones de consumo,
debido a la pequeña cantidad de agua que
contienen.

Desventajas
-

-

Es de difícil realizar mantenimiento por lo
incomodo el acceso a la zona de convección.
Mantenimiento más costoso.
El coeficiente de evaporación está estrechamente
limitado por la circulación interna.
La superficie limitada para la liberación de
vapor, dificulta la separación correcta del agua
y el vapor durante los consumos altos.
Para su instalación requieren de una extensa área
de terreno.
Su montaje con puesta en servicio pueden tomarse
de uno a dos años.

8.

CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE UNA CALDERA.
Las características técnicas de un generador de vapor o
caldera se registran en una placa que aparece en un sitio
del cuerpo del equipo.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

PARAMETROS

UNIDADES

Tipo de caldera
Modelo
Fabricante
Año de construcción
Combustible
Presión de diseño

Psia

Presión máxima de trabajo

Psia

Capacidad máxima

Lbm/hora

Temperatura máxima del vapor

°C (°F)

Área de calentamiento

m²(ft²)

BHP
Máximo calor de salida
Eficiencia de fabricación
Ver dimensiones en planos
Ver manual

MMBTU/HORA
%

Ejemplo:
Datos tomados de una caldera Acuotubular


PARAMETROS
Tipo Caldera

UNIDADES
Acuotubular

Fabricante

FOSTER
WHEELER

Modelo

250126

Serie

WFD/DAZ

Año de fabricación

1982

Combustible

Gas
ACPM

natural

Presión de diseño

600Psia


500Psia

Capacidad máxima

BHP

50000
Lbm/hora
600°F
3287ft²)
1900
66,4
MBTU/HORA


82%


Nos: 2,3,4,5

Ver manual
Fecha de instalación

Nos: 2,3,4
1986

Datos tomados de una caldera Pirotubular


PARAMETROS
Caldera

UNIDADES
Tubos de
Humos

Fabricante

Continental

Modelo

F122B300C-6

Tipo

CCO425

Año de fabricación

1996

Combustible

Gas natural

Presión de diseño

153Psia


134Psia

Capacidad máxima

BHP

11500
Lbm/hora
350°F
1500ft²)
300
10,04
MBTU/HORA


82%


Nos: 1,2

Ver manual
Fecha de instalación

Nos: 1
No registraba

9.

RECOMENDACIÓNES PARA LA ADQUISICIÓN DEL GENERADOR DE
VAPOR
Cuando se defina la demanda con proyecciones de
crecimiento a largo plazo.
Cuando esté plenamente definido:
La ubicación
La potencia tecnológica
El combustible o la dualidad de combustión
Los estudios de factibilidad y viabilidad
La producción de costos
Estimativos:
Cambio
de
costos
fijos
contra costos de capital
Costos de Combustibles
Costos
de
Operación
y
mantenimiento
Estimación inicial del factor operativo de la
planta POF
Si estos fundamentos se cumplen objetivamente todo
se
direcciona a adquirir los equipos con las especificaciones
técnicas determinadas, a través de un crédito nacional o
internacional, utilizando la modalidad financiera de
“llave en manos”, como la mejor opción.

10.

ALGUNOS FABRICANTES/PROVEEDORES A NIVEL NACIONAL E
INTERNACIONAL:
Colmáquinas, Barranquilla, con representación en
otras ciudades, Colombia.
Distral – Zona Franca Barranquilla, Colombia.
Calderas Continental, Bogotá D.C., Colombia.
Calderas Industriales Tecnik Ltda, Bogotá D.C.,
Colombia.
Calderas J.C.T Julio Cardona Tobón & Cía, Medellín,
Colombia.
Thermodynamics
Engineereing
Ltda,
Bogotá
D.C.,
Colombia.
Incalca-Industria Nacional de Calderas, Caracas,
Venezuela.
Cerney S.A., Zaragoza, España.
Caldería López Hermanos S.A., Sevilla, España.
Pirobloc S.A., Barcelona, España.
Hurst Boiler & Welding Company, Inc. CO, Georgia.
Estados Unidos.
Mitsubishi Steam Boiler, Japón.

Westinghouse-Siemens Steam Power, Orlando, Florida,
Estados Unidos.
Babcock Wanson, Grupo CNIM, representada en varios
países:
Francia,
Reino
Unido,
Suiza,
España,
Portugal, entre otros.
Babcock & Wilcox, Washington Operations, Tennessee
Technical Services y otros países.
Foster Wheeler, Global Engineering & Construction
Group, Philadelphia, Estados Unidos y otros países.
Cleaver Brooks, Tampa, Florida, Estados Unidos y
otros países.

11.

BIBLIOGRAFÍA:
Power Plant Technology, El-Wakil M.M.
Apuntes y escritos del Ing. Gonzalo Castro M.
Calderas, Shield,Carl D.
Steam Generator, Power and Steam, Vol. 6
www.cerney.es
www.lopezhnos.es
http://cybertesis.ubiobio.cl/tesis/2007/burgos_m/doc/
burgos_m.pdf

GENERADOR DE VAPOR, PIROTUBULAR: Gráfica No.3
USO INDUSTRIAL

Generador de Vapor, Acuotubular, vertical, de alta Capacidad: Gráfica No. 3

GENERADOR DE VAPOR, ACUOTUBULAR: Gráfica No.4
ALTA CAPACIDAD
USO EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA

PROCESO DE INSPECCIÓN A LA TUBERÍA DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

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