El documento describe los componentes y funcionamiento básico de una caldera. En resumen: 1. Una caldera es un dispositivo que genera vapor a alta presión transfiriendo calor a agua. 2. El vapor generado se usa para aplicaciones como esterilización, calentamiento de fluidos e generación de electricidad. 3. Las calderas funcionan quemando combustibles como carbón, fuel oil o gas y transfieren el calor a través de tubos para calentar el agua y generar vapor.

1. LA CALDERA
La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor.
Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la
cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de
cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de
transporte en fase líquida o vapor.
La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de
intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es
recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza
de muchos contenedores de gas.
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera
es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:
 Esterilización (tindarización):
Era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para
"esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con capacidad
industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar
alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).
 Para calentar otros fluidos:
Como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para
calentar petróleos y mejorar su fluidez.
 Generar electricidad:
Se da través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales
termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el
segundo genera vapor sobrecalentado.

2. HISTORIA
Cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica
que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de
calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias.
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en
contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del
combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la
superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les
clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de
agua). Hasta principios del siglo XIX se usó la caldera para teñir ropas, producir vapor
para la limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se
usó vapor para mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante
mucho tiempo, ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse, ésta
dejaba de producir trabajo útil. Luego de otras experiencias, James Watt completó una
máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era
un industrial inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada
posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fue empleada como máquina para accionar bombas de agua, de cilindros
verticales; fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y
continúa en el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos
años, como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las
turbinas. Entre sus desventajas está la poca velocidad y (como consecuencia directa) el
mayor peso por kW de potencia; necesidad de un mayor espacio para su instalación e
inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de caldera, se han construido para tracción, utilizadas en
locomotoras para trenes, tanto de carga como de pasajeros. Hay una caldera multi-
humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El
humo, es decir, los gases de combustión caliente pasan por los tubos, cediendo su calor
al agua que los rodea.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la
potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550
libras-pie/seg., valor que denominó Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente,
al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kg/seg. La Oficina
Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de
simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

3. COMBUSTIBLES PARA CALDERAS
Los tres tipos más comunes de combustible que se usan en lascalderas de vapor son:
carbón, fuel-oil y gas. Sin embargo, tambiénse usan residuos industriales o comerciales
en ciertas calderas yelectricidad para las calderas de electrodos. Normalmente, el tipo
decombustible se elige dependiendo de cual tiene la tarifa más atractiva.
 Carbón
Carbón es el término genérico dado a una familia de combustiblessólidos con un alto
volumen de carbono. En esta familia, hay variostipos de carbón, cada uno relacionado con
la fase de formación delcarbón y el volumen de carbono. Estos estados son:
 Turba.
 Lignito.
 Carbón bituminoso.
 Semi bituminoso.
 Antracita
Como combustible de la caldera, se suele usar el bituminoso y laantracita.Un promedio
razonable es: para producir aproximadamente 8 kgde vapor se ha de quemar 1 kg de
carbón.
 Petróleo
El Fuel-oil que se usa como combustible en la caldera provienedel residuo producido de
petróleo crudo después de que se hadestilado para producir productos más ligeros como
el aceite demotor, parafina, queroseno, diesel y gasoil. Hay varios gradosdisponibles,
cada una adecuada para los diferentes tipos decalderas, los grados son los siguientes:
 Clase D:Gasoil.
 Clase E:Fuel-oil ligero.
 Clase F:Fuel-oil medio.
 Clase G:Fuel-oil pesado.
Puede producirse aproximadamente 15 kg de vapor por kg deFuel-oil o 14 kg de vapor
por litro de Fuel-oil.

4.  Gas
El gas es la forma de combustible de caldera que es fácil quemarcon poco exceso de aire.
Los gases combustibles estándisponibles en dos formas diferentes;
 Gas natural
Éste es gas que se ha producido (de manera natural)bajo tierra. Se usa en su
estado natural, salvo la eliminación deimpurezas, y contiene metano en su forma
más común.
 El gas licuado de petróleo (GLP).
Éstos son gases que seproducen al refinar el petróleo y se almacenan bajo presión
en unestado líquido hasta que se vayan a usar. Las formas máscomunes de GLP
son propano y butano1 Termia de gas producirá aproximadamente 42 kg de vapor
enla salida de una caldera a 10 bar r de presión, con una eficacia dela caldera del
80%.

5.  Combustible de residuos
Ésta puede ser una fuente barata de combustible primario paralas calderas.
Antiguamente, las calderas de combustible deresiduos podían quemar desechos
derivados del proceso comocortezas de madera o el aceite sucio. La legislación actual
hacedifícil que las calderas reúnan los requisitos de emisiones necesarias. Ahora es más
normal que el combustible de residuossea quemado como parte de un paquete de
energía total. Unejemplo sería un hospital quemando los residuos en un incineradorde gas
donde los gases calientes mezclados se usarían paraalimentar una planta productora de
vapor, probablemente comoparte de un proceso de CHP.
TIPOS DE CALERAS
 Calderas pirotubulares
Las calderas pirotubulares hacen pasar el calor a través de los tubos en la caldera que a
su vez transfieren calor al agua de la caldera que les rodea. Hay varias combinaciones
diferentes de distribución de tubos para las calderas pirotubulares dependiendo del
número de ‘pases’ que hará el calor del hogar de la caldera antes de descargarse.
Un método más eficaz de invertir el flujo de calor es a través de unacaldera de cámara
húmeda. La cámara deinversión está completamente dentro de la caldera y permite
unamayor área de transferencia de calor, así como permite calentar elagua en el punto de
la caldera donde el calor del hogar será más altoen la pared del extremo de la cámara.
Es importante saber que los gases de combustión deben enfriarseantes de alcanzar la
cámara de inversión como mínimo a 420°C paralas calderas de acero normales y a 470°C
para las calderas dealeación de acero. Temperaturas superiores a estas
causaránsobrecalentamiento y grietas de las planchas en el extremo delhogar. El
fabricante de la caldera observará que estas limitacionesestén dentro de su criterio.

6. Calderas con presiones y rendimientos superiores a 27 barr y 27toneladas/h
respectivamente, se fabrican de una manera diferente.En este caso, el agua de la caldera
se contiene y circula dentro detubos, lo opuesto a la caldera pirotubular, donde los gases
de lacombustión circulan dentro de los tubos. A las calderaspirotubulares se les llama a
menudo calderas con ‘tubos de humo’,mientras que las calderas acuotubulares tienen
mejoresprestaciones para presiones y rendimientos superiores.
 Calderas acuotubulares
Las calderas acuotubulares difieren de las calderas pirotubularesen que el agua circula
dentro de los tubos con la fuente de calor rodeándolos. Esto significa que pueden usarse
presiones más altasporque el diámetro del tubo es significativamente más pequeño queel
cuerpo en la caldera pirotubular, y por consiguiente la tensióncircunferencial también es
significativamente menor.
Las calderas acuotubulares suelen ser consideradas para altosrendimientos de vapor,
para presiones altas o para vapor recalentado.Para la mayoría de aplicaciones
industriales y comerciales, unacaldera pirotubular es a menudo la más apropiada. Sólo es
necesariousar una caldera acuotubular si se requiere un rendimiento individualsuperior a
27.000 kg/h o presiones superiores a 27 bar o temperaturasde vapor superiores a 340°C.
La razón es que para un rendimientodado, las calderas acuotubulares son de
construcción más costosaque las calderas pirotubulares compactas.
Sin embargo, por todo el mundo, las calderas acuotubulares compitencon calderas
pirotubulares para tamaños inferiores a 270 bar r. Paradarnos una idea de la diversidad
de calderas acuotubulares, lasunidades varían entre aproximadamente 2.000 kg/h hasta
las de3.500.000 kg/h y superiores que impulsan las centrales eléctricas.

7. Las unidades más pequeñas pueden fabricarse y entregarse al sitioen una pieza. Las
unidades más grandes generalmente se fabricanen secciones y se transportan al sitio
para un ensamblaje final. Las calderas acuotubulares trabajan con el principio de
circulaciónde agua.
ELEMENTOS, TÉRMINOS Y COMPONENTES DE
UNA CALDERA
 Agua de alimentación:es el agua de entrada que alimenta el sistema,
generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la
desmineralización.
 Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y
que representa la calidad del vapor.
 Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones.
 Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un
agua de alcalinidad elevada.
 Condensador: sistema que permite condensar el vapor.
 Estanque de acumulación:es el estanque de acumulación y distribución de
vapor.
 Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.

8.  Purga de fondo:evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera.
 Purga de superficie:evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de
la caldera.
 Fogón u hogar:alma de combustión del sistema,para buscar una mejora
continúa de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera.
 Combustible: material que produce energía calórica al quemarse.
 Agua de calderas:agua de circuito interior de la caldera, cuyas características
dependen de los ciclos y del agua de entrada.
 Ciclos de concentración:número de veces que se concentra el agua de
caldera respecto del agua de alimentación.
 Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere una
concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de
funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5.
 Desoxigenación:tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de
calderas.
 Incrustación:sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o
amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia
de funcionamiento de la caldera.
 Dispersante: sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante
un evento de incrustación.
 Anti incrustante:sistema químico que les permite a los sólidos permanecer
incrustantes en solución.
 Anticorrosivo:sistema químico que brinda protección por formación de filmes
protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.
 Corrosión:véase Corrosión
 Índice de vapor/combustible:índice de eficiencia de producción de vapor de la
caldera.

9. ACCESORIOS DE UNA CALDERA
Hay varios accesorios que deben instalarse en las calderas devapor, todos con el objetivo
de mejorar:
 Funcionamiento.
 Eficacia.
 Seguridad.
A continuación explicaremos algunos de los accesoriosimportantes de la caldera:
 Placa de instalación
En la última la mitad del siglo XIX, las explosiones en calderasde vapor eran bastante
comunes. A consecuencia de esto, seformó una compañía en Manchester con el objetivo
de reducir elnúmero de explosiones sometiendo las calderas de vapor a unexamen
independiente. Esta compañía era el principio de laactual Federación de Seguridad
(SAFed), el organismo cuyaaprobación se requiere en el Reino Unido para los accesorios
ycontroles de caldera.
Después de un periodo comparativamente corto, sólo ocho de11 000 calderas
examinadas explotaron. Esto comparado conlas 260 explosiones de calderas que
ocurrieron en calderas queno fueron examinadas por esta compañía.
Este éxito conllevó a la ley sobre explosiones de calderas de1882 qué incluyó la
necesidad de una placa de instalación decaldera.
 Válvulas de seguridad
Uno de los accesorios importantes de la caldera es la válvula de seguridad. Su función es
proteger el cuerpo de la caldera de sobrepresión y evitar que explosione. La normativa BS
6759 (ISO4126) trata de las válvulas de seguridad en calderas de vapor, y BS2790 (8.1)
trata de a las especificaciones del diseño y fabricaciónde calderas pirotubulares de
construcción soldada.

10. Hay muchos tipos diferentes de válvulas de seguridad instaladas en laplanta de la
caldera, todas deben cumplir el siguiente criterio:
 La(s) válvula(s) de seguridad deberá(n) dar salida a un caudal devapor equivalente
a la potencia térmica de la caldera.
 El rango de capacidad de descarga total de la(s) válvula(s) de seguridaddebe estar
dentro del 110% de la presión de diseño de la caldera.
 El orificio que conecta una válvula de seguridad a una calderadebe ser como
mínimo de 20 mm.
 La tara máxima de la válvula de seguridad será la presión máximapermisible de
trabajo de la caldera.
 Debe haber un margen adecuado entre la presión normal detrabajo de la caldera y
la tara de la válvula de seguridad
 Válvulas de interrupción para calderas
Una caldera de vapor debe tener instalada una válvula de interrupción(también conocida
como válvula de salida de vapor). Esta aísla lacaldera de vapor y su presión del proceso o
la planta. Generalmentees una válvula de globo en ángulo del modelo de husillo.
La válvula de interrupción no se diseña como una válvula paraproporcionar más o menos
vapor, debe abrirse o cerrarsetotalmente. Siempre debe abrirse lentamente para evitar
aumentosrepentinos de presión aguas abajo y los golpes de ariete.
En aplicaciones de varias calderas debe instalarse una válvula deaislamiento adicional en
serie con la válvula de salida de vapor. Éstaes, generalmente, una válvula del globo de
husillo, del tipo de retenciónque previene que una caldera presurice a otra.
Alternativamente,algunas empresas prefieren usar una válvula globo de husillo con
unaválvula de retención de disco intercalada entre las bridas de las dosválvulas de
aislamiento.

11.  Válvulas deretención
La válvula de retención, se instalan en la tubería del agua de alimentación de la caldera
entre la bomba de alimentación y la caldera. Una válvula de aislamiento para la
alimentación a la caldera se instala en el cuerpo de la caldera.
La válvula de retención contiene un resorte que mantiene la válvula cerrada cuando no
hay presión en la caldera aunque el tanque de alimentación tenga un nivel elevado,
además previene que la caldera se inunde por la presión estática del agua de
alimentación.
Bajo condiciones normales de vapor, la válvula de retención funciona de una manera
convencional para detener flujo del retorno de la caldera que entra en la línea de
alimentación cuando la bomba de alimentación se para. Cuando la bomba de
alimentación se pone en marcha, su presión vence al resorte para alimentar la caldera.

12.  Válvulas de purga defondo
Las calderas deben tener como mínimo una válvula de purga defondo, en un lugar
cercano al que pueda que se acumule elsedimento o lodo. Estas válvulas deben
accionarse con unallave y están diseñadas de tal manera que es imposible sacar lallave
con la válvula abierta. Ahora están disponibles válvulas depurga de fondo automáticas
que se controlan por temporizadoresincorporados en los controles electrónicos que
aseguran queuna sóla caldera puede purgarse a la vez.
Con purga de fondo manual en una instalación de varias calderas,sólo se permite una
llave en la sala de calderas. De esta maneraes imposible que el contenido de la purga de
fondo de unacaldera pase a otra y que tenga que pararse para el mantenimiento.
 Manómetros
Todas las calderas deben tener como mínimo un indicador depresión. El tipo usual es un
manómetro sencillo según la normativaBS1780 Parte 2 - clase uno.El dial debe tener
como mínimo 150 mm de diámetro y ser del tipode tubo de bourdon, debe tener marcado
la presión de trabajonormal (indicado por una línea roja en el dial) y la presión / diseño
detrabajo máximo permisible (indicado por una línea morada en eldial).Los manómetros,
normalmente, se conectan al espacio vapor de lacaldera por un tubo sifón en R que está
lleno de vapor condensadopara proteger el mecanismo del dial de altas temperaturas. Se
pueden instalar manómetros en otros recipientes a presión comotanques de purga de
fondo, normalmente tendrán diales máspequeños.

13.  Indicadores de nively sus accesorios
Todas las calderas tienen como mínimo un indicador de nivel deagua, pero las de más de
145 kg/h deben tener dos indicadores. Enel Reino Unido, la normativa BS 3463 cubre los
indicadores de nivel.
Un tubo de cristal muestra el nivel real del agua en la caldera seancuales sean las
condiciones de trabajo de la caldera. Debeninstalarse indicadores de nivel para que nos
muestren su lecturamás baja del nivel del agua a 50 mm del punto sobre dondeocurrirá el
sobrecalentamiento. Alrededor de ellos deben instalarseprotectores que no deben impedir
la visibilidad del nivel del agua.
Los indicadores de nivel son propensos a daños por la corrosiónde los químicos en el
agua de la caldera, y erosión durante lapurga de fondo, especialmente en el lado del
vapor. Cualquierseñal de corrosión o erosión nos obliga a cambiar el cristal.
Para comprobar un indicador de nivel, debe seguirse el siguienteprocedimiento;
 Cerrar el grifo de agua y abrir el grifo de purga durante aprox.5 segundos.
 Cerrar el grifo de purga y abrir la llave del agua - el agua deberá volver
rápidamente a su nivel del funcionamiento normal, si esto no ocurriera, entonces
podría haber un obstáculo en el grifo de agua y debe remediarse lo más pronto
posible.
 Cerrar el grifo de vapor y abrir el grifo de purga durante aproximadamente 5
segundos.
 Cerrar el grifo de purga y abrir la llave de vapor, Si el agua no vuelve a su nivel
rápidamente, podría haber un obstáculo en el grifo de vapor y debe remediarse lo
más pronto posible.
El operador autorizado debe comprobar sistemáticamente losindicadores de nivel por lo
menos una vez al día llevando laprotección necesaria en la cara y las manos para
protegerle dequemaduras en caso de la rotura del cristal.
Todas las manetas del indicador de nivel deben apuntar haciaabajo cuando está
trabajando.
La protección del indicador de nivel debe mantenerse limpia.Cuando se está limpiando la
protección debe cerrarsetemporalmente el indicador de nivel.
 Cámaras de control de nivel
Las cámaras de control de nivel están en la parte externa de lacaldera y sirven par instalar
los controles o alarmas de nivel.
El funcionamiento de los controles o alarmas de nivel se verifica diariamente cuando se
usa la válvula de purga secuencial. Con el volante girado totalmente en sentido contrario a
las agujas del reloj, la válvula estará en la posición de ‘funcionamiento normal’ y un
asiento trasero cierra la conexión del desagüe.

14.  Controles de nivel instalados dentro dela caldera
Hay sistemas del control de nivel que proporcionan un gradomayor de seguridad que los
mencionados anteriormente. Lossensores se instalan directamente dentro del cuerpo de
la calderay proporcionan una función de supervisión de la integridad delsistema. Debido a
que están instalados internamente, no estánsujetos a los procedimientos de purga de
fondo de las cámarasexternas. El funcionamiento del sistema se comprueba con
unaprueba de evaporación. Las fundas de protección se instalanpara amortiguar el nivel
de agua alrededor del sensor.
 Eliminadores de aire y rompedores de vacío
Cuando una caldera se pone en marcha, el espacio de vapor estálleno de aire. Este aire
no tiene valor calorífico, de hecho afectaráadversamente al funcionamiento de la planta
debido a su presiónparcial como se demuestra en la ley de Dalton, y también suefecto de
cubrir las superficies de intercambio de calor. El airetambién puede dar lugar a corrosión
en el sistema de condensado,si no se elimina adecuadamente.
El aire puede purgarse del espacio de vapor simplemente usandouna válvula manual,
normalmente quedaría abierto hasta que elmanómetro marque una presión aproximada
de 0,5 bar. Una alternativaal grifo es un eliminador de aire de presión equilibrada que no
sólolibera al operador de la caldera de la tarea de purgar aire manualmente (y asegura
que realmente se realiza), también es mucho más precisoy eliminará los gases que se
pueden acumular en la caldera.

15. Cuando se para una caldera, el vapor en el espacio vapor secondensa produciendo un
vacío. Este vacío ejerce una presióndesde el exterior sobre la caldera, y puede producir
que las mirillasde inspección fuguen, que se dañe la estructura de la caldera yexiste el
peligro de que se llene excesivamente la caldera parada.Para evitar esto, se requiere un
rompedor de vacío en el cuerpo de lacaldera.

16. “AÑO DE LA INTEGRACIÓN NACIONAL Y EL
RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”
Integrantes:
Alvarado Acaro Jesús
Marcelo Baella pilar
Docente:
Tema:
Calderas
Facultad-Escuela:
Ingeniería industrial-ingeniería industrial
Curso:
Fuerza motriz
Ciclo:
IV Ciclo
Año:
“2012”

17. Calderas