Calderas

Riesgos en Procesos Productivos ITécnico Universitario en Prevención de Riesgos

GeneralidadesLas calderas, en sus opciones de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas, tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc.

Definición

Es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica.

Usualmente generan vapor saturado. Este vapor se produce a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido se calienta y cambia de estado.

Definición

Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase.Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

Definición

La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión.En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente.Hay muchos tipos de calderas, de acuerdo a las temperaturas y presiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen de producción de vapor.

AplicacionesEsterilización. Es común encontrar calderas en los hospitales, las que generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos; en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas.Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

AplicacionesEn una planta industrial no es extraño que las calderas industriales sirvan para muchas aplicaciones; por ejemplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperación química se emplea para convertir el licor negro en sustancias químicas útiles y de esta manera generar vapor para el proceso.En la misma planta una unidad de combustión de corteza recupera calor del material de desperdicio y genera también energía.Las calderas industriales queman petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y/ó subproductos.

HistoriaHasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita".De su creación surgió el concepto de “caballo de fuerza” (HP). Es la potencia necesaria para elevar verticalmente a la velocidad de 100 pie/min un peso de 330 libras.La medida la propuso James Watt (1782) para expresar la potencia que podía desarrollar la novedosa, en su época, máquina de vapor con referencia a la potencia que desarrollaban los caballos. Los caballos eran la natural fuente de potencia que se usaban ampliamente muchas aplicaciones.

Vapor vs. Gas

El término vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante o por enfriamiento a presión constante.

Normalmente la palabra vapor suele referirse al vapor de agua.

Generación de VaporA presión atmosférica normal, el agua tiene un punto de ebullición a 100ºC.A mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un máximo punto de ebullición a 374°C a una presión de 3200 psi (220,63 bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como líquido.

Procesos físicos de generación de vapor

Calor

Presión

Temperatura

Tipos de vaporSaturado: es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el liquido hierve.

Sobrecalentado: es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura.Se utiliza para mover máquinas (de pistones y turbinas).

Clasificación

Posición

Instalación / Uso

Horizontales.Verticales.

Fijas.Semifijas.Móviles.

Circulación de gases

Volumen de agua

Tipos de combustible

De un paso.De dos pasos.De tres pasos.De cuatro pasos.

De gran volumen.De mediano volumen.De pequeño volumen.

Combustible sólido.Combustible líquido.Combustible gaseoso.Combustible mixto

Presión

Formas de calefacción

De alta presiónDe mediana presiónDe baja presión

Tubos de humoTubos de aguaCombinadas o mixtas

CombustiónReacción [combustible - comburente] calor a un nivel térmico aprovechable.El quemador es el encargado de que la mezcla sea la apropiada.La cantidad de calor por unidad de masa que desprende un combustible al quemarse es el Poder Calorífico (kJ/kg).

PCI (el vapor de agua de los humos no condensa).PCS (se condensa el vapor de agua de los humos).

Los elementos básicos que reaccionan son:El oxígeno del aire como comburente (aprox. 1m3 por kWh)El carbono y el hidrógeno del combustibleOtros elementos (azufre), e inertes (cenizas)

Partes principales de una caldera

Hogar o fogónPuerta de hogarParrillasCeniceroPuerta del cenicero

En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.

AltarConductos de humoCaja de humoChimeneaRegulador de tiroPuerta de explosiónCámara de aguaCámara de vaporCámara de alimentación de agua

Accesorios de Generación de Vapor

Válvulas de seguridadEstán diseñadas para liberar fluido cuando la

presión interna supera el umbral establecido. Su misión es evitar una explosión, el fallo de un equipo o tubería por un exceso de presión.

Manómetro

Elemento de medición de presión.

Quemadores

Condensador

El condensador es esencialmente un recipiente en el que se mantiene por medio de una corriente de agua, una temperatura inferior a la de tensión del vapor que sale de la máquina, el cual al llegar a él se condensa.

Equipos

Tipos de Calderas

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuotubulares.

Calderas Pirotubulares

Caldera de tipo Paquete

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior está bañado por el agua de la caldera.

Calderas de Tubos de Humo y Agua

Están compuestas de un cilindro mayor con un hogar cilíndrico y tubos de humo, de agua o de ambos a la vez. El hogar es interior y queda rodeado de una parte de la cámara de agua. Los gases ascienden verticalmente a lo largo de los tubos de humo o rodean los tubos de agua, entregándoles la mayor parte de su calor. Son montados sobre una base de concreto y ladrillos refractarios.Son empleados en la pequeña industria.

Características

Son de fácil construcción.Ocupan reducido espacio y son fáciles de ubicar.Rendimiento bajo por combustión deficiente y escape caliente de humos.Destrucción rápida de los tubos al nivel del agua por el recalentamiento de ellos.Son peligrosas en caso de explosión.

Calderas Acuotubulares

Caldera SteinmüllerEn estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera.

Calderas de Recuperación

Calderas acuotubulares utilizadas en plantas de pulpa y papel (celulosas).Generan vapor al quemar el licor negro del proceso de pulpaje.Recuperación química.Eficiencia energética.Reducción de insumos.

VentajasLa Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.Por su fabricación de tubos de agua es una caldera “INEXPLOSIBLE”.La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos, dependiendo de la capacidad.El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.

VentajasSon equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.Son utilizados quemadores ecológicos para petróleo, gas y diesel.Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

Caldera de doble Entrada

Caldera Vertical

Caldera Horizontal

Regulación en Chile

Decreto Supremo N°48.Febrero de 1984.Establece las condiciones generales de construcción, instalación, mantención, operación y seguridad que deberán reunir todas las calderas en que se generen fluidos a temperaturas y presiones superiores a la atmosférica, ya sean móviles o estacionarias.www.prevencionchile.cl

Consideraciones de Operación.

El agua de alimentación de las calderas debe ser bien tratada; de lo contrario, pudiera causar los siguientes problemas:

Formación de costraCorrosiónFormación de burbujas de aireAdherencia del vapor al cilindro.

Riesgos en CalderasLa operación con Calderas, presenta muchos riesgos para los trabajadores, siendo los principales:

ExplosiónQuemadurasCaídas de distinto nivelAtrapamientosGolpes

Estadísticas de IncidentesCausa del Accidente Número de

AccidentesPorcentaje

Bajo Nivel de Agua 359 49,0%

Error en la operación o Mantención deficiente

262 35,7%

Diseño o fabricación deficiente 54 7,3%

Controles límite 17 2,3%

Falla en quemadores 16 2,2%

Desconocido / Bajo investigación

16 2,2%

Fuente: National Board de USA.

Explosiones

Explosiones físicas por rotura de las partes a presión: Se produce por la vaporización instantánea y la expansión brusca del agua contenida en la caldera, como efecto de la rotura producida en un elemento sometido a presión.Explosión química en el hogar: Se produce por la combustión instantánea de los vapores del combustible acumulados en el hogar o por la reacción del agua con sales fundidas.

Factores de RiesgoUna presión superior a la de diseño puede provocar una rotura de las partes a presión. Control de manómetros y uso de presostatos (que paran la aportación calorífica) y válvulas de seguridad (para liberar vapor).Una temperatura superior a la de diseño también puede provocar una explosión, por la rotura de partes de la caldera que están a presión.La falta de agua, la alta temperatura del fluido, incrustaciones internas, etc.; pueden aumentar la temperatura.Por una disminución del espesor de las partes sometidas a presión puede provocar una rotura de las mismas. Esta disminución puede ser causada por la corrosión y/o la erosión.

Riesgos en CalderasPara poder ser utilizadas, deben reunir características técnicas y de seguridad requeridas en las disposiciones legales, lo que permitirá su homologación, con la acreditación y sellado pertinente.

Al margen de las características constructivas de los equipos, los usuarios de los aparatos a presión deberán llevar un libro registro, visado y sellado por la correspondiente autoridad competente, indicándose en el mismo: características, procedencia, suministrador, instalador, fecha en la que se autorizó la instalación y fecha de la primera prueba y de las pruebas periódicas, así como las inspecciones no oficiales y reparaciones efectuadas con detalle de las mismas.

Riesgos en CalderasLos operadores encargados de vigilar, supervisar, conducir y mantener los aparatos a presión deben estar adecuadamente instruidos en el manejo de los equipos y ser conscientes de los riesgos que puede ocasionar una falsa maniobra o un mal mantenimiento. La Reglamentación de aparatos a presión exige que los operadores dispongan de acreditación que garantice un adecuado nivel de conocimientos.

El Reglamento de aparatos a presión determina, para cada aparato, las prescripciones de seguridad que deberán cumplir, así como las características de los emplazamientos o salas donde estén instalados, en función de su categoría.

La investigación reveló que el equipo de arranque encontró tiempo atrás algunas dificultades para encender lacaldera con LPG.

Para solucionar el problema, los operadores idearon un métodomanual temporal de bypass.

Ejemplo:9 de diciembre de 2000, cerca de las 2:30 am, tres operarios intentaban reiniciar la caldera cuando ocurrió una explosión dentro del horno de la caldera.2 MUERTOS.

ControlesControl del quemador, encendido y/o llama.Control de la bomba y el ventilador: el paro de la bomba implica calentamiento; el del ventilador puede llevar a que los gases no se evacuen, lo que supondrá una temperatura excesiva y dificultad en la combustión.Control de nivel de agua en el interior de la caldera, (Alta T° y ptos calientes).Control de combustión por un analizador de gasesControl de temperatura de los humos;

Talta = pérdidas en los humos; Tbaja = riesgo de condensación

Control de T en la caldera; los ptos calientes acortan la vidaControl de condensados, si se producen, hay que neutralizarlos y evacuarlos.