CALDERAS 1) Calderas de agua caliente (humotubular y acuatubulares) 2) Cañerías-Radiadores-Vasos de expansión-Válvulas 3) Quemadores a gas y a líquido 4) Bombas de circulación de agua caliente (dimensionamiento) 5) Radiadores –Losa radiante 6) Calderas a vapor 7) Mantenimiento, preventivo y correctivo
Valvulas de seguridad. Hogares interior y exterior. tubos de fuego. humo tubular. circulación asistida. circulación forzada. vasos de expansión. losa radiante. Definición. funcionamiento de caldera. Condensacion de agua. Bombas de agua. caldera a vapor. mantenimiento de caldera.
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CALDERAS
1) Calderas de agua caliente (humotubular y acuatubulares)
2) Cañerías-Radiadores-Vasos de expansión-Válvulas
3) Quemadores a gas y a líquido
4) Bombas de circulación de agua caliente (dimensionamiento)
5) Radiadores –Losa radiante
6) Calderas a vapor
7) Mantenimiento, preventivo y correctivo
Calderas humotubulares
En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos, mientras que el agua se calienta y evapora en el exterior de ellos. Todo este sistema está contenido dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presión. Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70 C de forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera.
La caja de humos (colector de humos), es la parte de la caldera donde confluyen los gases de la combustión en su recorrido final, que mediante un tramo de conexión se conducen a la chimenea.
Calderas acuotubulares
Por dentro de tubos circula el agua y la mezcla de agua y vapor. Por fuera, generalmente en flujo cruzado, intercambian calor los humos productos de la combustión. En este tipo de calderas además el hogar (recinto donde se produce la combustión) está conformado por paredes de tubos de agua. En ellas el intercambio es básicamente por radiación desde la llama. En este tipo de calderas es el agua o fluido térmico que se pretende calentar, es la que circula por el interior de los tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos tubos. Existen dos tipos de agrupaciones de tubos, de subida y de bajada que se comunican entre sí en dos domos.
En este tipo de caldera el humo caliente procedente del hogar circular por el interior de los tubos gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea. El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos al agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada. A través de este recorrido, el humo, ceden gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de esta agua y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta vaporización parcial del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y su visualización en el manómetro. Su rendimiento global esperado a lo largo de su vida útil no supera el 65% en el mejor de los casos. Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas, más allá de las dos o tres atmósferas; son de construcción sencilla y disponen de moderada superficie de intercambio, por lo no se utilizan para elevadas producciones de vapor. Son en compensación, muy económicos en costo y de instalación sencilla, por lo que su utilización actual primordial es para calefacción y producción de vapor para usos industriales.
Clasificación de acuerdo a la circulación del agua dentro de la caldera Es una clasificación que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las humotubulares la circulación del agua en el interior es siempre por convección natural. Circulación natural.
La circulación del agua y de la mezcla agua-vapor ocurre naturalmente debido a la diferencia de densidades entre el agua más fría y la mezcla de agua- vapor (efecto sifón). Implica entonces tener un circuito cerrado por donde circula el agua y una diferencia de altura apreciable entre las partes altas y bajas del equipo. Los generadores chicos, los de potencia mediana y una buena parte de los grandes generadores de vapor son de circulación natural.
Circulación asistida
En este caso la circulación natural en los tubos de la caldera es complementada por bombas instaladas en el circuito. En este caso también la caldera consiste en un circuito cerrado, pero permite construcciones más compactas incluso con tubos inclinados. Se utiliza en aquellos caso en que la diferencia entre las densidades del fluído frío y del caliente no es demasiado grande, típicamente para presiones superiores a los 140-160 bar. Brindan una respuesta más rápida ante variaciones en la demanda de vapor que los de circulación natural, pero las bombas trabajan con agua caliente y a altas presiones, son mas costosas y requieren importantes mantenimientos. En general se debe instalar un sistema de respaldo para evitar la parada de toda la caldera por salida de servicio de la bomba. Circulación forzada.
Este tipo de calderas tiene una concepción distinta, se trata de un circuito abierto y no cerrado. La bomba impulsa el agua a través de una primer superficie de intercambio donde se precalienta, luego pasa a un segundo intercambiador donde se vaporiza y luego, en algunos casos, pasa a un tercer intercambiador donde se sobrecalienta. A diferencia de las anteriores no hay una masa de agua circulando sin vaporizarse, la bomba entrega toda el agua que se vaporiza. No hace falta resaltar la importancia de la bomba en este diseño, un paro de la bomba implica un paro de la caldera.
Son aquellas calderas que solo tienen hogar, y allí prácticamente todo el calor es intercambiado por radiación. En general se trata de calderas acuotubulares grandes, donde los tubos en donde se genera el vapor conforman las paredes del hogar. Las altas temperaturas que se tienen en la combustión hacen que se tenga un intercambio muy importante de calor por radiación. Además estas calderas trabajan a presiones elevadas, con lo que el calor de vaporización necesario es relativamente bajo, y al utilizar agua de alimentación previamente calentada hasta temperaturas muy cercanas a la de saturación, se consigue que las paredes de tubos del hogar sean suficientes para transferir todo el calor de vaporización necesario.
o Convectivos. Típicamente son las calderas HRSG (Heath Recovery Steam Generator), sin cámara de combustión. Utilizan un fluído caliente como fuente de calor, producto de algún proceso previo (hornos de fundición, hornos de vidrio, turbinas de gas, motores diesel, etc.)
o De calentamiento indirecto. Son calderas de fluídos térmicos en las que se calienta un fluído intermedio, típicamente un aceite, y este es el que al circular por un intercambiador, genera el vapor de agua. El fluído es nuevamente recirculado hacia la caldera.
Vasos de expansión de Calderas para circuitos de calefacción.
El vaso de expansión tiene como función absorber el aumento de presión de la masa de agua que hay en el
interior del circuito de calefacción y radiadores cuando esta se calienta por la entrada en funcionamiento
Las tuberías de calefacción, caldera y radiadores se encuentran interconectados entre sí formando un
circuito cerrado y presurizado que es sometido a una presión variable en función de la temperatura a la
que se encuentra el agua de su interior.
Normalmente con la bomba de la caldera parada y el agua del interior del circuito de calefacción a
temperatura ambiente, la presión puede situarse entre 0,8 bar y 1,2 bar de presión. Indicación que
veremos registrada en el manómetro o display de la caldera.
¿Cuánto puede aumentar la presión en el interior de la instalación calefacción?
Las calderas domesticas incorporan una válvula de seguridad de calefacción que está ajustada de fabrica a
3 bar. Esto significa que si la presión interior en el circuito de calefacción supera los 3 bar la válvula de
seguridad de calefacción va a abrirse y a liberar presión para que descienda en el circuito de calefacción la
presión, hasta situarse en niveles por debajo de 3 bar.
El correcto dimensionado del vaso de expansión respecto de la masa de agua contenida en la instalación
de calefacción resulta por tanto esencial para evitar que dentro del circuito hidráulico se superen presiones
por encima del tarado de la válvula de seguridad de calefacción de la caldera.
Cuando se sustituyen los viejos radiadores de calefacción por nuevos o cuando se aumenta el número de
radiadores de la instalación de calefacción debe atenderse al detalle del aumento de la masa de agua en
circulación, pues si ésta es mayor a la cantidad de agua que originalmente tenía el circuito será necesario
instalar un vaso de expansión auxiliar o mayor al inicialmente existente.
Cuando la expansión – el vaso de expansión- es inferior a las necesidades de expansión que requiere la
masa de agua en circulación aumenta la presión por encima de los niveles de presión que tolera la válvula
de seguridad de la caldera y esto provoca que la válvula lance fuera del circuito lo que entiende es agua
sobrante. Esto sucederá generalmente cuando la calefacción está en servicio.
Funcionamiento vasos de expansión
Un vaso de expansión para calefacción se compone de una carcasa metálica en cuyo interior hay dos
cámaras separadas por un elastómero. Una de las cámaras del vaso de expansión está en contacto con el
agua del circuito de calefacción y la otra, separada por el elastómero, contiene una carga de gas inerte,
normalmente nitrógeno seco a una determinada presión que guarda relación con la presión que puede
ejercer la masa de agua una vez ésta está caliente.
Cuando la presión del agua del circuito de calefacción aumenta por el incremento de la temperatura ésta
ejerce presión dentro del vaso sobre el elastómero, que a su vez encuentra la resistencia que desde el otro
lado ejerce el nitrógeno, de esta forma se equilibran las presiones dentro del vaso de expansión y se
consigue mantener presurizado el circuito sin que la válvula de seguridad tenga que abrirse y liberar agua.
De esta forma cuando detengamos el uso de la calefacción y descienda la presión, nuestra instalación
conservará los niveles de presión correctos dentro del circuito. Cuando un vaso de expansión es pequeño
para la masa de agua que debe expansionar o cuando la pared separadora de elastómero pierde su
estanquidad filtrándose el agua del circuito de calefacción, inundando la cámara donde solo debería haber
nitrógeno, el vaso pierde su efectividad y éste no expansiona al calentarse el circuito de calefacción
provocando un incremento de presión que generalmente provoca el disparo de la válvula seguridad de
calefacción. Hemos incluido un reportaje fotográfico y un vídeo en nuestro canal de YouTube con el
seccionamiento de estos vasos de expansión para hacer más entendible el funcionamiento del vaso de
expansión de una caldera para circuitos de calefacción.
Válvula de seguridad
Introducción
En la industria constituye una situación normal la utilización de sistemas que operan a presión. Reactores, calderas, recalentadores, tanques de almacenamiento, tuberías y demás aparatos a presión, pueden verse sometidos a presiones superiores a la de diseño, con el consiguiente riesgo de explosión, pudiendo causar graves consecuencias tanto para las personas como para las instalaciones cercanas. Para prevenir este riesgo se instalan en estos equipos válvulas de seguridad, que permitan por medio de la descarga del fluido contenido, aliviar el exceso de presión. Así, las válvulas de seguridad constituyen un elemento clave de seguridad utilizado ampliamente en la industria y exigido reglamentariamente, por lo que es importante entender adecuadamente su funcionamiento y sus limitaciones.
El objeto de la presente Nota Técnica de Prevención es dar a conocer las características constructivas y de funcionamiento de estos elementos, así como proporcionar una serie de guias y recomendaciones para realizar una correcta instalación, montaje y mantenimiento, con la finalidad que sus características de seguridad, que en un principio deben tener estos elementos, no se vean disminuidas por un error de diseño o de actuación.
Definiciones
Definimos en este apartado alguno de los términos y variables que se utilizarán en esta nota técnica.
Válvula de seguridad: Ese dispositivo empleado para evacuar el caudal de fluido necesario de tal forma que no se sobrepase la presión de timbre del elemento protegido.
Presión de tarado: Es la presión a la cual abre la válvula. Sobrepresión: Es el incremento de presión que se produce por encima de la presión de tarado estando la
válvula completamente abierta. Presión de cierre: Es aquella presión a la cual se cierra la válvula una vez desaparecida la causa que motivó
su apertura. Escape: Es la diferencia existente entre la presión de tarado y la de cierre. Presión de precinto: Es la presión a la que están tarados los elementos de seguridad que protegen el
aparato o sistema. También se denomina "timbre" cuando se refiere a la presión máxima de servicio y es la que limita el propio sistema de seguridad.
Presión de servicio: Es la presión normal de trabajo del aparato o sistema a la temperatura de servicio. Presión máxima de servicio: Es la presión más alta que se puede dar en el aparato o sistema en condiciones
extremas de funcionamiento del proceso. Es el máximo valor efectivo de tarado de la válvula de seguridad. Temperatura de diseño: Es el valor de la temperatura que se toma para el cálculo del espesor del aparato
en condiciones severas de funcionamiento. Temperatura de servicio: Es el valor de la temperatura alcanzada en el interior del aparato o sistema en
condiciones normales de funcionamiento a la presión de servicio. Temperatura máxima de servicio: Es el máximo valor de la temperatura que se estima puede producirse en
el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento. Temperatura mínima de servicio: Es el mínimo valor de la temperatura que se estima pueda producirse en
el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento.
Tipos de válvulas
Según su elevación
Válvulas de seguridad de apertura instantánea: Cuando se supera la presión de tarado la válvula abre repentina y totalmente.
Válvulas de alivio de presión: Cuando se supera la presión de tarado, la válvula abre proporcionalmente al aumento de presión.
Según su actuación
Válvulas de actuación directa: Son válvulas cargadas axialmente, que al alcanzar la presión de tarado abren automáticamente debido a la acción del fluido a presión sobre el cierre de la válvula.
Válvulas de actuación indirecta: Son válvulas accionadas por piloto. Deben actuar debidamente sin ayuda de ninguna fuente exterior de energía.
Según su agrupación
Válvulas de seguridad sencilla: Son las que alojan en su cuerpo a un solo asiento de válvula. Válvulas de seguridad dobles o múltiples: Son las que alojan en su cuerpo dos o más asientos de
válvulas.
Según su conexión
Embridadas. Roscadas. Soldadas.
Elementos
Algunos de los elementos más importantes presentes en las válvulas de seguridad se representan en la figura siguiente:
Funcionamiento
Las válvulas de seguridad de alivio de presión están diseñadas para abrir y aliviar un aumento de la presión interna del fluido, por exposición a condiciones anormales de operación o a emergencias.
Son actuadas por la energía de la presión estática. Cuando en el recipiente o sistema protegido por la válvula se produce un aumento de presión interna, hasta alcanzar la presión de tarado, la fuerza ejercida por el muelle es equilibrada por la fuerza producida por la presión sobre el área del disco de cierre (Fig. 1). A partir de aquí, un pequeño aumento de presión producirá el levantamiento del disco de cierre y permitirá la salida del fluido. Si se trata de una válvula de seguridad de apertura instantánea, el disco de cierre se separará repentina y totalmente, debido al incremento de la fuerza resultante del producto de la presión por el incremento del área del disco de cierre. Pero si se trata de una válvula de alivio de presión, la válvula abrirá proporcionalmente al incremento de presión producido.
Fig. 1: Disco de cierre
Cuando la presión disminuye, la válvula cierra a una presión ligeramente inferior a la presión de tarado
como consecuencia de la energía cinética del fluido en el escape. En la figura 2 se pueden apreciar los diferentes niveles de presión existentes. Son a diferencia de otros dispositivos de alivio (discos de rotura, tapones fusibles térmicos, etc.) mecanismos diseñados para cerrar cuando la presión haya sido restablecida, quedando en disposición de actuar y prevenir un nuevo alivio del fluido.
Caldera de combustibles fluidos
El combustible se prepara y quema en un quemador, dispositivo que funciona con un ventilador que impulsa aire
hacia un inyector de combustible donde, por efecto venturi, éste se mezcla con el aire en las proporciones
adecuadas y se impulsa dentro del hogar, donde se produce la combustión. Cuando el combustible es líquido
(gasóleo) es necesario pulverizarlo para conseguir la mezcla, por lo que requieren un inyector especial. Los
combustibles gaseosos también deben mezclarse con el aire, aunque no es necesario pulverizarlos.
El hogar consiste normalmente en un cilindro con el eje horizontal, con el fondo recubierto de material refractario,
contra el que se proyecta la llamarada producida por el quemador. Los gases calientes revocan y vuelven hacia la
puerta del hogar y, por los laterales, entran en una serie de tubos que están sumergidos en el caloportador, y por
ellos llegan a la caja de humos, de la que arranca el conducto de evacuación de gases quemados.
El intercambiador de estas calderas envuelve el hogar en una primera instancia, pero luego tiene una serie de pasos,
en los que los gases calientes de la combustión dejan el calor que llevan. Las más corrientes (llamadas pirotubulares)
consisten en un haz de tuberías introducidas en el caloportador. Los gases circulan por los tubos, lo más lentamente
posible (para ello tienen unas chapas, plegadas en espiral, llamados turbuladores) para que lleguen al final (caja de
humos) con la menor presión posible y la temperatura más baja posible. En las calderas normales esta temperatura
es como mínimo de unos 140 ºC, para evitar que haya condensaciones, muy perjudiciales cuando el combustible
tiene trazas de azufre, puesto que éste, quemado, forma óxidos de azufre y sumado a vapor de agua condensado de
la combustión puede formar ácido sulfúrico(SO3 + H2O → SO4H2), corrosivo, perjudicial para la buena conservación
de los dispositivos, lo que se evita con temperaturas que impidan la condensación.
Mantenimiento de calderas Las calderas integran una de las instalaciones que pueden implicar un alto riesgo para un edificio en caso de fallar. La razón es que funcionan a presión y un omisión o negligencia en las tareas de mantenimiento puede ocasionar una explosión. Aquí se enumeran los desperfectos más serios que puede sufrir la instalación. Los mayores daños se producirán cuando el artefacto se instala en un subsuelo, que es su ubicación habitual. Si el proyecto lo permite, una opción más segura sería disponer la instalación en un espacio abierto, debajo de una cubierta liviana.
Todos sabemos que las calderas son artefactos generadores de calor y que el mismo se conduce en forma de agua o vapor. Como todo elemento que trabaja a presión, puede producir una brusca expansión del vapor y del agua de su interior. Los accidentes se producen generalmente por el colapso de alguno de los componentes del sistema. Por ejemplo, corrosión o fallas del instrumental de seguridad. Los puntos débiles En las calderas alimentadas por combustibles líquidos, la explosión se puede producir por la ignición del combustible vaporizado en el interior del hogar, es decir en el corazón de la caldera. El aumento de presión también puede ocasionar por una falla del quemador que genera un reencendido. Otro incidente peligroso es la escasez de agua o la ausencia total de ella ya que por la acumulación de sarro se produce una elevación descontrolada de la temperatura.
Ante un aumento en la presión de trabajo, si no se libera el vapor a través de la válvula de seguridad o bien se sobre-eleva la presión por falla del manómetro o su falta de control, se plantea otra situación donde se puede provocar una explosión. El uso de un presostato es una de las formas de cortar la alimentación y ayudará a evitar una explosión.
La carcaza y algunas de las partes interiores de la caldera pueden ser afectadas por la corrosión, que debilitará sus partes metálicas. Por eso, al mantenerse constante la presión en su interior habrá también riesgo de explosión. Lo mismo sucederá si la temperatura de trabajo excede los límites máximos permitidos para ese aparato.
Tipos de calderas Se instalan una gran variedad de artefactos que van desde una caldera hogareña, que son muy seguras, a las de un consorcio o industriales. Los artefactos modernos son cada vez más seguros y el riesgo queda restringido a los equipos más vetustos. Las calderas automáticas sólo requieren la presencia humana para su encendido o bien para su reencendido en el caso de que alguno de los elementos de seguridad haya cortado el circuito por la detección de alguna falla. Las de agua caliente no superan generalmente una temperatura de trabajo de 110Cº. En los casos en que sobrepasan ese valor reciben el nombre de caldera de agua recalentada. Es posible incrementar la temperatura usando dispositivos como los sobre calentadores o economizadores de precalentamiento para aumentar el rendimiento. Es importante conocer el área de intercambio que estará en contacto con el agua, vapor o llama directa para saber qué superficie de radiación o convención habrá que considerar.
En las viviendas unifamiliares de superficie importante, es recomendable separar el aporte de agua caliente o vapor para el agua de consumo destinada al lavado y la higiene. En el caso de utilizarse las llamadas calderas duales, que resuelven el suministro de agua caliente sanitaria y para calefacción, habrá que verificar en los cálculos la simultaneidad de uso para no privar de fluido a un sistema en función del otro. En estos casos, para asegurar un buen suministro, una buena alternativa consiste en la instalación de un termotanque o calefón para uso exclusivo de la cocina y el lavadero.
Sabiendo que el mayor problema de las calderas son las explosiones habrá que tomar los recaudos básicos para prevenirlas. En primer lugar habrá que disponer siempre de una válvula de seguridad, manómetro, indicador de nivel y termómetro. En todos ellos se debe controlar con frecuencia su correcto funcionamiento.
A su vez no se puede descuidar la limpieza de su interior, verificar que no haya corrosión ni sarro, si hubiera un hervor brusco de agua apagar el quemador cerrando de inmediato las válvulas. Una vez despresurizada dejarla enfriar por lo menos ocho horas, no mirar dentro del artefacto sin protección del rostro y utilizar para su encendido antorchas largas. Las calderas más avanzadas tienen gran parte de su funcionamiento con controles computarizados que liberan al usuario de muchas de las tareas de mantenimiento, de todos modos no se debe descuidar una revisión periódica.
Mantenimientos graduales
DIARIAMENTE
– Verificar: Nivel de agua, combustión.
– Purga: de fondo, de nivel y de superficie
– Tratar el agua según cronograma establecido
– Relacionar
• Presión / temperatura agua de alimentación
• Temperatura del gas de combustión
• Presión y temperatura del aceite combustible
• Presión del gas
• Presión del aire de atomización
• Temperaturas del agua de suministro y retorno
• Consumo de agua de reemplazo
• Presión de vapor
• SEMANALMENTE
– Verificar
• Adecuado cierre de válvula combustible
• Conexiones de aire y combustible
• Luces indicadoras y alarma
• Controles limitadores y de operación
• Controles de seguridad y conexiones
• Filtraciones, ruido, vibraciones, condiciones
Anormales, etc.
SEMESTRALMENTE
– Inspecciones el refractario
– Revise los componentes eléctricos
– Limpie
• Llave de bajo nivel de agua
• Bomba de aceite, colador y filtro
• Depurador de aire y separador aire / aceite
• Alineación de acople del compresor (ventilador?)
ANUALMENTE
– Inspeccione la superficie interior del recipiente