Calderas de-vapor

Quemador de un caldero
Soplador
para Aire de
combustión
Líneas de
combustible

Definición
• Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería
que está diseñado para generar vapor saturado.
• Éste vapor se genera a través de una transferencia de
calor a presión constante, en la cual el fluido,
originalmente en estado liquido, se calienta y cambia de
estado a vapor.
Agua
hirviendo

Material de Construcción
• El recipiente a presión en una caldera,
generalmente está construído de acero
(acero aleado).
• El acero inoxidable está prohibido (por el
Codigo de Calderas del ASME) para ser
usado en partes mojadas (en contacto con
agua).
• Pero el acero inoxidable generalmente se
usan en secciones de recalentador que no
están expuestos al líquido hirviente.

Tipos básicos de calderas
• Dos tipos básicos de calderos suministran la
mayor parte de vapor que se usa para procesos
y calentamiento industrial.
– Calderos Pirotubulares, (tubos de fuego) se
encuentran disponibles en tamaños hasta 20000 lb/h
de vapor y presiones hasta aproximadamente 200
psi.
– Calderos Acuotubulares, (tubos de agua) tienen
generalmente una capacidad sobre la 10000 lb/h de
vapor y presiones bastante altas.

Calderos Pirotubulares
• Un caldero pirotubular es un recipiente
cilíndrico con la llama dentro del horno y los
gases de combustión dentro de los tubos.
• El horno y tubos están dentro de un recipiente
más grande que contiene el agua y el vapor.

• Los Calderos de tubos de fuego se encuentran
disponibles en tamaños hasta de 20,000 lbs/h de vapor
y presiones hasta aproximadamente de 200 psi. La
diferencia es simple. Los Calderos de tubos de fuego
calientan el agua almacenada dentro de un casco a
presión pasando los gases calientes a través de una
serie de tubos sumergidos en el agua.

Vista transversal de la caldera

Parte interna de un caldero
pirotubular
http://www.cip.ukcentre.com/steam.htm

Trayectoria de los gases de
combustión

Transferencia de calor desde el
tubo de fuego

Vista exterior de un
caldero pirotubular

DISPOSITIVOS Y
ACCESORIOS
EXTERIORES

Refractarios en
la construcción
de caldero
pirotubular

CARACTERISTICA DE CALDERAS
ACUOTUBULARES:

OPERACION DE
CALDERO
ACUOTUBULAR

Observando el interior del horno

Interior del horno y tubos de agua

Calderos Modernos Acuotubulares

Tipos de calderas acuotubulares de
10000 a 350000 lb/h de Vapor
Caldera Tipo A Caldera Tipo D Caldera Tipo O

Refractarios
en la
Construcción
del caldero
acuotubular

Ciclo combinado de potencia y
calor

Montaje de seguridad
1) Valvulas de seguridad
2)Indicadores de nivel de agua
3)Tapones fusibles
4)Alarmas de alto y bajo nivel

Tapón fusible
• El tapón fusible tiene un
núcleo de metal de bajo
punto de fusión y es
insertado entre el
espacio de agua y la
cámara de combustión.
• Cuando hay un
sobrecalentamiento por
bajo nivel de agua, éste
se funde y deja pasar
agua a la cámara de
fuego.

Indicador de nivel de agua
• El nivel de vidrio es un
tubo transparente a
través del cual el
operador de la caldera
observa el nivel de agua
dentro de la caldera.
También se le conoce
como nivel visual o
medidor de agua
• http://en.wikipedia.org/wik
i/Water_gauge

Alarma de alto y bajo nivel
y control ON.OFF de la
bomba de alimentación

Montaje de control
a)Manómetros
b)Válvula de cierre principal
c)Válvulas check para el agua de alimento
d)Válvulas de purgas.
e)Circuladores

Manómetro
The construction of a bourdon tube
gauge, construction elements are made of
brass

Válvula check
Operación
La válvula check
vertical DCV2/B se
abre con la presión
del agua de alimento
y se cierra por su
resorte tan pronto
cesa el flujo de agua,
previniendo l regreso
del agua.

Purga de la Caldera
La purga de la caldera es necesaria por dos
razones distintas:
1) Asegurar que la concentración de sólidos
totales disueltos (TDS) se mantengan
debajo de cierto nivel máximo permisible.
2) Para evitar la acumulación de
sólidossupendidos que se depositan en el
fondo de la caldera.

Válvula de purga continua
• Permite que una pequeña cantidad de agua
salga continuamente.
• El propósito es prevenir que el agua dentro del
caldero se sature con sales disueltas.
• La saturación conduce a formar espuma y
causa que gotas de agua sean llevados con el
vapor. (priming).
• La purga también se usa para hacer
seguimiento a la quimica del agua de caldero.
l

Purga continua
• Justo debajo del nivel
bajo de agua con el
objetivo de controlar los
(TDS) del agua de la
caldera.
• Esta purga tiende a
recuperar algo de 80%
dek calor y 10 a 20% de
agua pura (dependiendo
de la presión de la
caldera en ñla forma del
revaporizado
condensado.

Cantidad de purga requerida
Se calcula con la fórmula como un porcentaje de
generación de vapor:
Por centaje de purga =
[Sf / Sb – Sf] x 100
donde:
Sf = ppm de TDS en el agua de alimento ( el agua
de alimento es el total de la combinación de
el agua de reposición, retorno de
condensado y tratamiento químico)
Sb = ppm de TDS deseado en el agua de caldero

Recuperación de calor de una purga
continua de caldero.

Purga de fondo
• Es para extraer
los sólidos
suspendidos
que deben salir
del agua en
forma
intermitente
desde el fondo
de la caldera.

Accesorios
a) Sopladores y dampers
b) Inyectores de agua
c) Sopladores de hollin (sootblower)
d) Quemadores y equipo de calentamiento
e) Recalentadores
f) Economizadores
g) Precalentadores de aire

TRATAMIENTO DE AGUA
PARA CALDEROS

DIAGRAMA ESQUEMATICO DE SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA
PARA CALDEROS
Fuente Clarificador Ablandamiento Deaereador Caldero Condensado
Tratamiento interno del agua para caldero

Tratamiento de agua para calderos
• El tratamiento y acondicionamiento del
agua de alimento al caldero debe
satisfacer tres objetivos principales:
1. Continuo intercambio de calor.
2. Protección contra la corrosión.
3. Producción de vapor de alta calidad.

Tratamiento externo del agua para
calderos
• Es la reducción o remoción, fuera del caldero,
de impurezas del agua.
• En general, el tratamiento externo es utilizado
cuando la cantidad de uno o mas de las
impurezas del agua de alimento, es demasiado
alto para ser tolerado por el sistema de caldero
en cuestión.
• Hay muchos tipos de tratamiento externo
(ablandamiento, evaporación, deareación,
eliminadores por membrana, etc.) los cuales
pueden ser utilizados para adecuar al agua de
alimento, a un sistema en particular.

Tratamiento Interno del agua en el
caldero
• Tratamiento Interno, es el acondicionamiento
de impurezas dentro del sistema de caldero.
• Las reacciones ocurren en la línea de alimento o
en el propio caldero.
• El tratamiento interno puede ser usado solo o en
conjunto con el tratamiento externo.
• Su propósito es que reaccione apropiadamente
con la dureza del agua de alimento, condicionar
los lodos, secuestrar el oxígeno y prevenir que
el agua espume.

Tratamiento Interno de agua de Caldero

Objetivo De Tratamiento Interno
• Reaccionar con cualquier dureza del agua de
alimento y prevenir que precipite sobre el metal
del caldero como incrustaciones.
• Condiciona cualquier materia suspendida tal
como lodo de dureza u oxido de hierro en el
caldero y lo hace no adherente al metal del
caldero.
• Suministra protección de antiespuma, para
permitir una concentración razonable de sólidos
disueltos y sólidos suspendidos.;
• Eliminan el oxigeno del agua y suministran
suficiente alcalinidad para prevenir la corrosión
del caldero.

Objetivo De Tratamiento Interno
• En adición, como medidas suplementarias
un tratamiento interno debe:
– prevenir corrosión e incrustaciones del
sistema de agua de alimento y
– proteger contra la corrosión en los sistemas
vapor condensado

Los productos mas comúnmente
utilizados incluyen:
• Dispersantes de fosfatos, dispersantes de
polifosfatos (químicos ablandadores):
• Dispersantes naturales y sintéticos
(agentes anti-incrustantes):
• Agentes secuestrantes
• Secuestrantes de oxígeno
• Agentes antiespumante:

Dispersantes de fosfatos,
dispersantes de polifosfatos
 Reaccionando con la alcalinidad del agua
de caldero, estos productos neutralizan la
dureza del agua formando fosfato
tricalcico, un compuesto insoluble que
debe separarse y purgarse en forma
continua o periódicamente a través del
fondo del caldero.

Dispersantes naturales y sintéticos
(agentes anti-incrustantes):
• aumenta las propiedades dispersantes de
los productos condicionantes. Éstos
pueden ser:
– Polímeros naturales: lignosulfonatos, taninos
– Polímeros sintéticos: poli acrilatos,
copolimero maleico acrilato, copolimero
maleico estireno, sulfonatos poli estireno, etc.

Agentes Secuestrantes
 Tal como fosfato inorgánico, el cual actúa
como inhibidor e implementa efecto
umbral.

Secuestrantes de oxígeno:
 Sulfito de sodio, taninos, hidracina, derivado de
hidroquinona/pirogalol, derivados
dehidroxilamina, derivado de ácido ascórbico,
etc.
 Estos secuestrantes, catalizados o no, reducen
los óxidos y el oxigeno disuelto.
 La mayoría también pasiva la superficie
metálica.
 La elección del producto y la dosis dependerá
si se utiliza o no, un calentador deareador.

Agentes antiespumante:
 Mezclas de agentes tensoactivos que
modifican la tensión superficial de un
líquido, remueven las espumas y previene
el arrastre de finas partículas de agua.

Principales problemas que
ocurren en calderos:
• Incrustaciones
• Espumas y arrastre
• Corrosión

Incrustaciones
• Las incrustaciones en el caldero son causados
por impureza del agua, que precipitan
directamente sobre la superficie de
transferencia de calor o por materia suspendida
en el que sedimenta sobre el metal
convirtiéndose en una sustancia dura y
adherente.
• La evaporación en un caldero causa que las
impurezas se concentren.
• Esto interfiere con la transferencia de calor y
puede causar puntos calientes, conduciendo a
sobrecalentamiento localizados.

Mecanismo de las incrustaciones
• El mecanismo de las incrustaciones es el
exceder los límites de solubilidad de sustancias
minerales debido a las altas temperaturas y la
concentración de sólidos en la interfase
tubo/agua.
• La deposición de precipitados cristalinos sobre
las paredes del caldero interfiere con la
transferencia de calor y puede causar puntos
calientes, conduciendo a sobrecalentamiento
local.
• Cuanto menos calor ellos conduzcan, más
peligrosos son.

Los contaminantes más comunes en el
agua de alimento al caldero son:
• Calcio
• Magnesio
• Hierro
• Aluminio y
• Sílice
• Las incrustaciones son formadas por sales que
tienen limitada solubilidad, pero no son
totalmente insolubles en el agua de caldero.
• Estas sales alcanzan el lugar del depósito en
una forma soluble y luego precipitan.

Los valores correspondientes a su
conductividad térmica son:
• Acero 15 kcal/m2.h por grado C
• CaSO4 1-2 kcal/m2.h por grado C
•
CaCO3 0.5-1 kcal/m2.h por grado C
• SiO2 0.2-0.5 kcal/m2.h por grado C

Reducción de Transferencia de
calor

Incrustación en parte exterior
de tubos de fugo

Arrastre en agua de Caldero
(Boiler water carry-over)

Arrastre del Caldero, es la contaminación del vapor con
sólidos del agua de caldero.
Burbujas de espuma se forman sobre la superficie del
agua del caldero y salen con el vapor.
A esto se le llama espumaciòn y es causado por la alta
concentración de sólidos en el agua del caldero.
Sin embargo, generalmente se cree que sustancias
específicas como álcalis, aceites, grasas, cierto tipo de
materia orgánica y sólidos suspendidos, son
particularmente conductores a formar espuma.
En teoría, sólidos suspendidos se juntan en la superficie
fílmica alrededor de una burbuja de vapor y lo hace
resistente a la rotura.
La burbuja resiste la rotura y forma espuma.
Se cree cuanto más fino sean los sólidos suspendidos
mayor será la colección en la burbuja.

Priming (arrastre de agua)
• Es el arrastre de pequeñas cantidades de gotas
de agua en el vapor (espuma y niebla) que baja
la eficiencia energética del vapor y conduce a
depositar cristales de sales sobre los
recalentadores y dentro de las turbinas.
• Priming puede ser causado por una
construcción inapropiada del caldero, demanda
excesiva de vapor, o fluctuaciones imprevistas
en la demanda de vapor. Es agravado por
impurezas en el agua de caldero.

Carry over (espumas y
priming)

Prevención de espumas
• El método mas común para prevenir espumas y
priming es mantener la concentración de sólidos
en el agua de caldero a niveles razonablemente
bajos.
• El uso de agentes antiespumas y antipriming,
mezclas de agentes tensoactivos que modifican
la tensión superficial de un líquido, evitan a
formación de espuma y previene el arrastre de
finas partículas de agua en el vapor.

CORROSION
• Es la reversión de un metal a su forma mineral.
• El hierro, por ejemplo, revierte a óxido de hierro, como
resultado de corrosión.
• Sin embargo el proceso de corrosión, es una reacción
electroquímica compleja y tiene muchas formas.
• La corrosión puede producir un ataque general sobre una gran
superficie o puede ser el resultado en una penetración puntual
del metal.
• La corrosión es un problema relevante causado por el agua en
los calderos.
• La corrosión puede ser de origen y naturaleza variable debido a
la acción del oxígeno disuelto, a corrientes de corrosión
producidos como un resultado de heterogeneidades sobre
superficies metálicas, o al hierro siendo directamente atacado
por el agua

Corrosión
Extremo de tubo de caldero presentando fallas de deformaciones y
roturas adyacente a la banda donde el tubo introducido a la placa tubera.

Picaduras y tubérculos observados en un tubo de caldero fallado. Note
manchas de óxidos orientados en ángulo recto a la longitud del tubo,
que indica corrosión activa bajo condiciones estacionarias.

Mientras la corrosión básica en calderos puede ser
principalmente debido a la reacción del metal con oxígeno,
otros factores, tal como tensiones, condiciones ácidas, un
corroyente químico específico, pueden tener una importante
influencia y producir diferentes formas de ataque.
Es necesario considerar la cantidad de varias sustancias
dañinas que pueden permitirse en el agua de caldero sin
riesgo de daño al caldero.
La corrosión puede ocurrir en el sistema de agua de
alimento como resultado de bajo pH del agua y la presencia
de oxigeno disuelto y dióxido de carbono.
La corrosión en el caldero ocurre generalmente cuando la
alcalinidad del agua del caldero es baja o cuando el metal
es expuesto al agua con oxígeno disuelto, durante periodos
de operación o de reposo.

Control de corrosión
• Las técnicas de control de corrosión varía
de acuerdo al tipo de corrosión
encontrado.
• Los principales métodos incluyen:
– mantenimiento de un apropiado pH.
– Control de oxígeno
– Control de depósitos
– Reducción de tensiones en el diseño.
– Practica operacional

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