COMPONENTES DE UNA CALDERA.

Los elementos más importantes en una caldera son: el conjunto del quemador, la cámara de combustión, el intercambiador de calor, la chimenea y los controles. Los accesorios comunes, como el economizador de gases de salida, son muy usados como un método eficiente para recuperar calor.

Conjunto de quemador. Para prender el equipo se acciona un interruptor eléctrico que produce una chispa entre los electrodos del quemador. De esta forma se enciende el piloto, se inicia el flujo de combustible y de aire lo que provoca que se encienda la flama. Cuando la fotocelda verifica que la flama se ha formado correctamente mantiene los flujos abiertos, de lo contrario cierra las dos alimentaciones. El conjunto de quemador comprende los electrodos, las boquillas, la fotocelda y el cañón quemador. El sistema de alimentación de combustible se encarga de introducir al quemador las cantidades adecuadas para lograr la combustión que ocurre en el hogar de la caldera, está formado por un conjunto de tuberías, filtros de acondicionamiento, la bomba de alimentación de combustible y una válvula solenoide. El sistema de aire es el elemento primordial para mantener una eficiente combustión, para mantener la flama con una combustión no contaminante y económica el aire alimentado es regulado de en base a la producción de vapor necesaria y en proporción adecuada al combustible alimentado. El control de la alimentación de aire lo forman: la malla del ventilador, el ventilador y las varillas de ajuste del modutrol (modulador de entrada de aire).

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Las calderas de gas natural emplean uno o los dos tipos de quemadores: atmosféricos también llamados quemadores de tiro natural y quemadores de tiro forzado también llamados quemadores de potencia. Debido al aumento de las exigencias ambientales para frenar la contaminación cada vez es más común la instalación de quemadores de premezcla de bajos nitratos (NOx), que por medio de una mezcla más eficiente del combustible que entra al quemador aseguran que las emisiones de nitratos sean mínimas.

Tipos de controles instalados en las calderas.

La combustión completa se puede lograr usando correctamente los controles del quemador, incluyendo el control de posicionamiento de la entrada de aire, los controles de límite y control de corte de oxígeno. Estos tipos de controles son mejores alternativas que los controles mecánicos tradicionales.

Control mecánico de eje. Es el control más simple que existe para modular el quemador y es comúnmente usado en quemadores pequeños. Es también llamado control simple porque por medio de un eje mecánico se controla al mismo tiempo el aire y el combustible. Este tipo de controles no miden los flujos de alimentación que se introduce a la caldera. Su rango de control es limitado, ocasionando altas cantidades de aire en exceso para lograr ajustar las diferentes proporciones de quemado de combustible en condiciones variables. La suciedad que acumula el combustible en las uniones hace que un control exacto y repetido sea difícil y requieren mantenimiento y ajustes constantes.

Controles de posicionamiento en paralelo. En este tipo de controles se usan motores separados para ajustar el flujo de combustible y el flujo de aire, permitiendo que cada uno se ajustado para lograr un óptimo aprovechamiento. Durante su arranque y puesta a punto se marcan de 20 a 25 puntos relacionados con los que se crea una gráfica de flujo de aire y su correspondiente flujo de combustible. La proporción aire/combustible puede por lo tanto variar a través de todo el rango de encendido para otorgar a la caldera una mezcla constante en todas las condiciones. Con el creciente uso de servomotores electrónicos este método este método se vuelve altamente eficiente  y repetible.

Controles de límite. Son normalmente usados en calderas grandes e incluyen sensores que compensan por varios factores que afectan lograr una proporción de mezcla óptima. Los flujos de aire y de combustible son medidos y ajustados para mantener un valor óptimo determinado durante la calibración inicial.

Control de corte de oxígeno. Es usado normalmente en conjunción con alguno de los dos anteriores. En este caso se monitorea el contenido de oxígeno en los gases de escape y se ajusta la mezcla aire/combustible para mantener la cantidad adecuada de oxígeno en exceso en ese punto. Son controles que son instalados en calderas muy grandes y con un consumo alto de combustible. Se pueden lograr aumentos en la eficiencia de una caldera en valores del 1-2% solamente por usar este tipo de control.

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Controles de presión. Es posible que aparezcan fugas de agua en el sistema de distribución. estas fugas aumentarán los requerimientos de energía, el consumo de agua y pueden causar mucho daño. Ya sean calderas para calentamiento de agua o de producción de vapor, se deben instalar sistemas de reposición de agua debido a las posibles pérdidas que se presenten en el sistema, de esta forma tenemos una manera sencilla de asegurar que el sistema está completamente cargado de agua en todo momento. La mejor práctica es instalar un medidor en la línea de abastecimiento de agua, este medidor se debe de checar semanalmente para comprobar pérdidas no esperadas.

En sistemas de generación de vapor es necesario efectuar este monitoreo diariamente ya que  conforme el vapor se fuga del sistema se necesitará agua adicional en el sistema de recuperación para reemplazar las pérdidas. El monitoreo del agua de reposición asegura que se está maximizando el retorno de condensado, reduciendo así la necesidad de agua de reposición.

Cuerpo de la caldera. El hogar y los tubos flux se encuentran en el interior de la caldera y es ahí donde se lleva a cabo el calentamiento del agua, ya sea que los gases fluyan por el interior de los fluxes (pirotubular) o por el exterior (aquatubular). El cuerpo de la caldera cuenta con un aislamiento interior (refractario) y otro exterior para minimizar pérdidas de calor y evitar quemaduras al personal. Está equipado con tapas y registros que permiten el acceso cuando es necesario darle mantenimiento. Las piezas más importantes del cuerpo son los tubos flux, el material refractario, mamparas (no necesariamente), empaques y un tapón fusible (solamente en el caso de calderas de tubos de humo). La cámara de combustión está usualmente hecha de hierro forjado o de acero, envuelve al quemador y al proceso de combustión. Las temperaturas dentro de la cámara de combustión pueden alcanzar niveles muy altos muy rápidamente.

Los intercambiadores de calor o fluxes son hechos también de hierro forjado o de manojos de tubería de acero. En el caso de algunos calderas pequeñas pueden ser de cobre o de acero recubierto de cobre.

La chimenea es la tubería que lleva los gases calientes de la combustión hacia fuera de la caldera, normalmente está hecha de acero y en el caso de las calderas de condensación necesita ser construida en acero inoxidable para manejar el condensado corrosivo. Otra consideración a analizar en el diseño es sí la tubería operará a presión positiva o negativa y esto determinará cómo se deben de sellar sus juntas.

Los controles de la caldera nos ayudan a producir agua caliente o vapor en una forma eficiente segura  y regular. Los controles de operación de la combustión regulan el flujo de combustible necesario para cubrir la demanda de calor. El control principal monitorea la temperatura del agua caliente de salida o la temperatura del vapor producido y manda una señal para controlar el flujo y la velocidad a la que el combustible y el aire entran en el quemador. Las secuencias normales de un quemador incluyen on/off, high/low/off y modular.

Los controles de seguridad de una caldera incluyen el monitoreo por alta presión y/o temperatura, alta y baja presión de combustible, y alto o bajo nivel de agua y controles de flama. Estos son controles de seguridad o límites, que interrumpen el circuito eléctrico para prevenir un incendio en la caldera, por ejemplo, en el caso de que la presión en la caldera excederá la presión límite de control, la válvula de combustible es cerrada automáticamente para impedir una condición insegura de alta presión. El circuito de seguridad para el control de la flama incluye: interruptores para condiciones de agua baja, altos límites de presión, suministro de aire y detectores de flama. Los detectores de flama (fotoceldas) normalmente son escáneres de luz ultravioleta o infrarroja que monitorean la condición de la flama y desactivan el quemador en el caso de que no exista flama o alguna otra condición insegura.

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Control de nivel de agua. Su función principal es asegurar que al encender el equipo el nivel de agua en el interior de la caldera se encuentre con la cantidad adecuada para una segura operación. Una vez funcionando, se encarga de vigilar y corregir variaciones, si el nivel se encuentra bajo envía una señal a la bomba de alimentación para que alimente más agua, si continúa bajando, por razones de seguridad, envía otra señal al quemador para que se apague, y evita que se encienda hasta tener un nivel adecuado. Cuando sube el nivel de agua por arriba de en cierto valor envía una señal para que la bomba se detenga. El sistema de control de nivel de agua comprende:

1. Cristal de nivel visual.
2. Grifos de prueba de cristal de nivel.
3. Columna de nivel.
4. Control de nivel de agua.

Bomba de inyección de agua. Cuando el nivel de agua sobrepasa un nivel de seguridad prefijado, la bomba se apaga para no exceder el nivel de operación y ahogar la caldera. Si el nivel de agua baja de su nivel mínimo de operación, la bomba recibe una señal del control de nivel para arrancar, introduciendo agua del tanque de recepción de condensado a la caldera.

Controles eléctricos. El programador electrónico es el cerebro de la caldera, se encarga de llevar a cabo la correcta secuencia de encendido y apagado del equipo. El programador incluye varios sistemas auxiliares de arranque y paro por valores de presión por medio de un presostato. A partir de una presión establecida en un pressuretrol envía una señal para modular la flama, variando la cantidad de aire alimentado a través del modutrol. Comprende:

1. Control programador.
2. Presostato.
3. Pressuretrol.
4. Control de nivel de agua.
5. Modutrol.
6. Alarma.

Seguridad

Todo equipo de combustión debe ser operado debidamente para prevenir condiciones peligrosas o desastres. La causa más común de explosiones en la caldera es la ignición de combustible cuando éste se ha acumulado dentro de la caldera. Esta situación se puede presentar por una gran cantidad de formas, por ejemplo, si el flujo de combustible o de aire se interrumpe, o por alguna razón la flama se extingue, el combustible se acumula dentro del hogar y explota cuando se reinicia el equipo. Otro ejemplo común es cuando ocurren un número de intentos no exitosos de arranque del equipo sin haber purgado apropiadamente los gases combustibles acumulados.

Existe una tremenda cantidad de energía almacenada dentro de una caldera. El cambio de agua caliente a vapor requiere una cantidad enorme de energía, y esta se acumula en el cambio de fase, por ejemplo 1 ft³ (28.31 litros) de agua se van a expandir a 1,600 ft³ (45,307 litros) cuando se vuelvan vapor, por lo tanto, si se pudiera capturar la energía generada por 30 galones de agua tendrías la energía suficiente para levantar un automóvil de un peso aproximado de 2,500 libras (1135 Kg) a una altura aproximada de 125 ft (38.1 m.), o sea, más o menos un edificio de 14 pisos y el coche saldría disparado a 85 mph, unos 136 Km/h.

 

 

 

 

Fuentes:

F. William Payne and Richard E. Thompson, (1996).Efficient Boiler Operations Sourcebook, Fourth Edition, U.S.A. Fairmont Press

Sam G. Dukelow. (1991). The Control of Boilers, 2nd Edition. Triangle Park, NC: ISA.

Goverment of Canada. ( 2015-12-18). BOILERS AND HEATERS . 2021-11-3, de Natural Resources Canada's (NRCan's) Office of Energy Efficiency (OEE), Sitio web: https://www.nrcan.gc.ca/energy/publications/efficiency/industrial/cipec/6687

Capehart, B., Turner, W. and Kennedy, W., (2006). Guide to Energy Management. ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, 2008.

The National Board of Boilers and Pressure Vessel Inspectors, http://www.nationalboard.org/default.aspx.

2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), http://go.asme.org/bpvc10.

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