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UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Unidad N° I Calderas de vapor Código IMMQ307 1.- Introducción Dinámica y potencia Cuando estudiamos el movimiento desde el punto de vista energético, basándonos en el concepto de trabajo mecáni...

UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Unidad N° I Calderas de vapor Código IMMQ307 1.- Introducción Dinámica y potencia Cuando estudiamos el movimiento desde el punto de vista energético, basándonos en el concepto de trabajo mecánico, no tenemos en cuenta el factor tiempo. En este apartado vamos a profundizar sobre el concepto de potencia en Física, necesario, entre otras cosas, para el estudio de las máquinas, algunas de las cuales, como las grúas de carga o las maquinas propulsoras de una nave, tienen por principal función el desarrollo del máximo trabajo en el menor tiempo posible. Definición de Potencia Qué es Potencia: Potencia, procedente del latín potentĭa (‘poder’, ‘fuerza’) tiene varios usos y significados en distintos ámbitos como la Física, las Matemáticas y la Filosofía. De forma genérica es la capacidad o posibilidad para realizar o generar algo. Potencia en Física En Física, potencia es la cantidad de trabajo (fuerza o energía aplicada a un cuerpo) en una unidad de tiempo. Se expresa con el símbolo 'P' y se suele medir en vatios o watts (W) y que equivale a 1 julio por segundo. Una fórmula para calcular la potencia es P = W / t, donde 'W' equivale a 'trabajo' (en julios) y 't' se corresponde con el 'tiempo' (en segundos). Potencia eléctrica La potencia eléctrica es la cantidad de energía que emite o absorbe un cuerpo en una unidad de tiempo. La medición de la potencia eléctrica de consumo de un dispositivo eléctrico doméstico en kilovatios por hora (kW/h). La potencia reactiva es un tipo de potencia eléctrica que aparece en instalaciones de corriente alterna, asociada a la generación de campos magnéticos y disipada por las cargas reactivas (bobinas y condensadores). Se representa con la letra 'Q' y la unidad de medida que se suele utilizar es el Voltio amperio reactivo (VAr). Potencia mecánica La potencia mecánica es la cantidad de fuerza aplicada a un cuerpo en relación con la velocidad con que se aplica. Una de las fórmulas para hallarla es: P = F · v. pág. 1 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Por lo tanto, se multiplica la fuerza (F) expresada en newtons (N) por la velocidad (v) expresada en metros por segundo (m/s). Se define también la potencia como la rapidez con la que se realiza un trabajo. Su expresión viene dada por: P=W/t Donde: P: Potencia desarrollada por la fuerza que realiza el trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Vatio (W) W: Trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J) t: Tiempo durante el cual se desarrolla el trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo (s). Aunque existen otras unidades de medida de la potencia, el sistema internacional mide la potencia en vatios (W). La ecuación de dimensiones de la potencia relaciona los vatios con julios y segundos o bien con kilogramos, metros y segundos: Relación entre Potencia y Velocidad A partir de las expresiones anteriores es posible relacionar la potencia mecánica que impulsa un móvil y su velocidad de desplazamiento. En este apartado sólo vamos a estudiar el caso simple en el que el objeto se mueve según un movimiento rectilíneo uniforme m.r.u. A partir de la definición de potencia, podemos relacionar la potencia desarrollada por una fuerza constante y la velocidad del cuerpo sobre el que actúa. pág. 2 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Potencia motriz a velocidad constante En general, cuando se habla de potencia motriz nos estamos refiriendo a la potencia asociada a la fuerza motriz. La fuerza motriz es la responsable del movimiento del cuerpo. Imagina un automóvil desplazándose por una carretera a velocidad constante. La fuerza resultante que actúa sobre el cuerpo es nula, ya que no existe aceleración (velocidad constante), sin embargo, para vencer las fuerzas de rozamiento (o fricción) con el suelo y con el aire, se precisa que el motor desarrolle una fuerza denominada fuerza motriz, en sentido del movimiento (y por tanto contraria a las fuerzas de rozamiento). La potencia asociada a tal fuerza se denomina potencia motriz. La fórmula anterior es de gran utilidad en la industria automovilística donde se precisa reducir la fricción con el suelo y con el aire al mínimo. Potencia como Velocidad de Transformación de la Energía Hasta ahora hemos hablado de la potencia aplicada a los procesos mecánicos. Es decir, aquellos en los que se produce una transformación en el estado de reposo o movimiento del cuerpo y están sujetos a la acción de fuerzas. La energía de un proceso cualquiera ni se produce ni se consume, sino que se transforma. Imagina un foco encendido. Este consume energía eléctrica, pero genera energía lumínica. En realidad, ese proceso tiene lugar en un tiempo. Surge así, el concepto de potencia asociado a la velocidad de transformación de la energía. La potencia de un proceso cualquiera es la velocidad de transformación de la energía de este. Por último, hay que indicar que, siguiendo con el razonamiento anterior, podemos distinguir: Potencia generada: Nos centramos en la energía de cierto tipo generada por unidad de tiempo Potencia consumida: Nos centramos en la energía de cierto tipo gastada por unidad de tiempo Como norma general, la potencia generada en un proceso es una fracción de la potencia consumida (en el caso del foco, parte de la energía eléctrica se transforma en luz y parte en calor) y por tanto el cociente entre potencia generada y consumida será menor que uno. No obstante, en los procesos en los que se busca transformar energía, los científicos e ingenieros buscan que dicho cociente se aproxime lo más posible a uno para evitar el desperdicio energético pág. 3 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.- La máquina de vapor (Material de lectura paginas 4 a la 9) Segunda máquina de vapor construida por Newcomen (1714) El desarrollo de la ciencia moderna del calor estuvo estrechamente ligado al desarrollo de la tecnología moderna de máquinas diseñadas para realizar trabajo. Durante milenios y hasta hace dos siglos la mayor parte del trabajo se realizaba por seres vivientes (humanos, animales y de otras especies). El viento y el agua también proporcionaban trabajo mecánico, pero en general no son fuentes de energía fiables, ya que no siempre está disponibles cuando y donde se necesitan. En el siglo XVIII, los mineros comenzaron a cavar cada vez a más profundidad en su búsqueda de mayores cantidades de carbón. El agua tendía a filtrarse e inundaba estas minas más profundas. Se planteó la necesidad de un método económico para bombear el agua y sacarla de las minas. La máquina de vapor se desarrolló inicialmente para satisfacer esta necesidad concreta. La máquina de vapor es un dispositivo para convertir la energía térmica del calor que produce un combustible en trabajo mecánico. Por ejemplo, la energía química de la madera, el carbón o el petróleo, o la energía nuclear del uranio, pueden convertirse en calor. La energía térmica a su vez se utiliza para hervir el agua para formar vapor, y la energía en el vapor se convierte en energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser utilizada directamente para realizar trabajo, como en una locomotora de vapor, o utilizada para pág. 4 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE bombear agua, o para transportar cargas, o se transforma en energía eléctrica. En las sociedades postindustriales típicas de hoy, la mayor parte de la energía utilizada en las fábricas y en los hogares proviene de la energía eléctrica. Desde la antigüedad se sabe que el calor se puede utilizar para producir vapor que, a su vez, puede realizar trabajo mecánico. Un ejemplo fue la eolípila, inventada por Herón de Alejandría alrededor del año 100. Se basaba en el mismo principio que hace que giren los aspersores de jardín, excepto en que la fuerza motriz era el vapor en vez de la presión del agua. La eolípila de Herón era un juguete, hecho para entretener más que para hacer un trabajo útil. Quizás la aplicación más «útil» del vapor en el mundo antiguo fue otro de los inventos de Herón. Este dispositivo asombraba a los fieles congregados en un templo al hacer que una puerta se abriera cuando se encendía un fuego en el altar. No fue hasta finales del siglo XVIII que los inventores empezaron a producir máquinas de vapor con éxito comercial. Thomas Savery (1650-1715), un ingeniero militar inglés, inventó la primera máquina de este tipo, a la que dio en llamarse “la amiga del minero”. Podía bombear el agua de una mina llenando alternativamente un tanque con vapor de alta presión, lo que llevaba vaciaba el agua del tanque empujándola hacia arriba, condensando después el vapor, lo que permitía que entrase más agua en el tanque. 2.1.- Maquina térmica Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes. En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía. 2.2.- Máquina y motor térmicos En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacción de combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida. pág. 5 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.2.1.- Clasificación Según el sentido de transferencia de energía Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en: Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje. Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje. Según el principio de funcionamiento Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en: Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina. En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular. Turbomáquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo. 2.3.- La transición de la vela a la propulsión mecánica La navegación ultramarina ha sido el mecanismo que permitió la conformación de un mercado mundial ecuménico. Desde las flotas de galeones del período colonial en las américas, hasta la difusión del vapor y la hegemonía del motor a explosión luego, ningún sistema de transporte ha logrado desplazar a la navegación de su posición dominante. La navegación se ha perfeccionado hasta niveles increíbles e incrementado hasta superar la cifra de 100.000 buques mercantes inmensos circunnavegando el mundo. 2.3.1.- La propulsión a Vapor: Existen muchas y muy diversas referencias al uso del vapor como fuerza motriz incluso desde la época antigua, aunque las aplicaciones navales fueron más recientes. Sin embargo, estos conceptos y dispositivos mecánicos sirvieron solo como antecedentes hasta que James Watt, alrededor de 1765, los consolidó e hizo de la Máquina de Vapor un invento que podía tener uso práctico, gracias a la incorporación de un condensador externo que permitió cerrar el ciclo abierto del vapor. A partir de entonces, se suceden diversas tentativas de conseguir aplicaciones prácticas y eficientes de la Máquina de Vapor como fuerza motriz, en especial para la Propulsión Naval. pág. 6 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE - En 1783, el francés Jouffroy es el primero que consigue aplicar la Máquina de Vapor a un buque; así, logró que una nave con un propulsor de ruedas de paletas, el “Pyroscaphe”, navegue por el río Saône. - En 1804, John Stevens desarrolla una Máquina de Vapor aplicada a una transmisión con hélices; propone precozmente este nuevo tipo de propulsor en lugar de las ruedas de paletas, muy vulnerables en combate y poco eficientes. - En 1807, Robert Fulton hace navegar su vapor de paletas, El “Clermont”, por el río Hudson entre Nueva York y Albany. De ese modo, se establece el primer servicio regular en buques a vapor. - En 1819, el buque a vapor con propulsor de ruedas Savannah cruzó el Atlántico, lo cual demostró que este tipo de buques no estaban limitados a ríos o aguas interiores. - En 1824, Sadi Carnot presenta a la comunidad científica sus trabajos sobre el segundo principio de la termodinámica; así, se consolidó el concepto del ciclo de vapor y facilitó, con esto, el desarrollo de las Plantas de Propulsión a Vapor en los buques, lo cual inició la era del vapor en la propulsión naval. Progresivamente, a partir de esa fecha, las principales marinas del mundo fueron introduciendo en sus escuadras algunas naves a vapor con misiones auxiliares “El NAPOLEÓN” Primer buque a vapor con propulsor a hélice En Francia, un proyecto para la construcción de un buque de línea con una planta de propulsión a vapor de 1.000 HP propulsado por una hélice, con líneas de carena más finas, para reducir así la resistencia del casco al desplazamiento y lograr mayor velocidad, que pág. 7 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE contó con el necesario respaldo político, fue acogido por el ingeniero naval Dupuy de Lôme, quien acababa de construir los dos primeros buques franceses con casco de hierro. Este efectuó el diseño del “Napoleón”, un buque de línea de más de 5,000 toneladas de desplazamiento, con una planta de propulsión con motor alternativo de vapor de 900 HP, capaz de alcanzar 11 nudos de velocidad; además, estaba armado de 90 cañones como armamento y fue botado el 15 de mayo de 1850. Como inmediata respuesta, Gran Bretaña proyectó y botó varios buques a vapor de similares características, entre los que destacaría el “Agamenon”. De esta manera, se inició una carrera por consolidar la Planta a Vapor en los buques de guerra entre las potencias navales de la época. En 1854, se inició la Guerra de Crimea enfrentando a la coalición formada por Gran Bretaña y Francia contra el Imperio Ruso, en la cual se demostró la enorme superioridad táctica de los navíos de vapor frente a los de vela que dependían todavía de factores climatológicos y dio el empuje final a la propulsión a vapor, frente a las críticas de los estrategas navales más ortodoxos. A inicios de 1860, mejoras en las calderas cilíndricas tradicionales permitieron incrementar la presión de trabajo del vapor, ya que el vapor a baja presión empleado hasta entonces proporcionaba un empuje limitado a los pistones de las Máquinas Alternativas. El vapor a alta presión suministrado por estas calderas permitió incrementar significativamente la potencia desarrollada por dichas máquinas, lo cual operacionalmente se tradujo en un aumento de velocidad. Posteriores mejoras permitieron el desarrollo de máquinas de triple y cuádruple expansión, con lo cual se redujo el consumo de carbón y, de esta manera, se logró una mayor eficiencia. En este espacio de tiempo, el vapor y la vela convivieron en la forma de plantas mixtas, que eran buques con plantas de vapor que todavía tenían aparejos de vela. Este tipo de Propulsión Naval fue la que emplearon la mayoría de los buques enfrentados durante la Guerra del Pacífico 1879-1884: Calderas a carbón, Motores alternativos de Vapor y una Hélice como propulsor. pág. 8 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.3.2.- El motor de combustión Interna En 1897, otro inventor, esta vez alemán, Rudolf Diésel, desarrolla el ciclo termodinámico de un motor basado en la combustión al interior de sus cilindros de un combustible líquido derivado del petróleo, lo que inicia otro capítulo en el desarrollo de la propulsión naval. Esto supondrá, a la larga, el fin de los buques a vapor tradicionales, del mismo modo que estos supusieron el fin de la propulsión a vela, limitando las Plantas a Vapor a ciertos usos auxiliares. A principios del siglo XXI bajo una gran presión ciudadana mundial se han forzado cambios en las emisiones de los motores de combustión interna, es así como la OMI para enero de 2020 obligó a solo utilizar el uso de combustibles con un contenido inferior a 0,5% de azufre, la comunidad europea está restringiendo las emisiones de CO2 y en sus zonas ECA ha reducido el contenido de azufre en los combustibles a 0,1%, también se están haciendo grandes esfuerzos en la reducción de las emisiones de material particulado. Es así como se están haciendo grandes esfuerzos en grandes modificaciones al respecto y ya son muchas las naves de la marina mercante que están utilizando como combustible GNL o GLP, con lo cual se ha reducido a (0) cero las emisiones de SO2, en un 97% las emisiones de NO2 y considerablemente el material particulado fino. También se han intentado y con éxito el uso de H2 como combustible y también ya se usa experimentalmente el Amonio- Fuel, que resulta muy amigable con el medio ambiente. 2.4.- Calderas de vapor Las calderas marinas están sujetas al reglamento y disposición de los códigos establecidos por cierto número de dependencia gubernamentales. Se construyeron de acuerdo con las especificaciones generales para maquinarias de la armada (U.S. Navy). Las calderas para barcos mercantes se fabrican de acuerdo con el código de calderas ASME. Reglas para la construcción y la clasificación de buques de acero, como por ejemplo de la oficina Americana de Clasificación Naval, (ABS Américas) son necesarias para todas las embarcaciones que tratan de obtener la protección de algunas compañía de seguros, inclusive aquellas que dependen de la administración. La energía acumulada en el vapor de agua se ha venido utilizando desde los primeros tiempos de la Revolución Industrial. Aunque existen antecedentes, como del inventor español Blasco de Garay, quien, en 1543, en Barcelona y ante el emperador Carlos V lo utilizó para mover el barco “Trinidad” de 200 toneles, fue en Inglaterra donde se originaron las primeras máquinas de vapor prácticas, y más concretamente con los inventos del escocés James Watt. La razón para que se haya utilizado el vapor de agua probablemente haya que buscarla en alguna de sus propiedades: En primer lugar, es barata y abundante. Transporta grandes cantidades de energía con una masa relativamente pequeña Su temperatura se puede regular bastante bien controlando la presión. pág. 9 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Se puede aprovechar la expansión debida al aumento de volumen que experimenta el agua cuando se convierte en vapor: “cuando se une el calórico con partes de agua, a cuya mezcla se ha dado el nombre de vapor por los físicos, llega a ocupar un espacio… miles de veces mayor… y se concibió que el vapor retenido haría prodigiosos esfuerzos contra obstáculos considerables”. Actualmente, y debido al gran auge y desarrollo alcanzado por los motores Diésel, así como sus menores consumos , sobre todo por su menor consumo especifico de combustible, la utilización del vapor en la propulsión naval es totalmente marginal, hubo un pequeño renacer en los buques de transporte de Gas Natural Licuado, en que se volvieron a usar las turbinas a vapor, en que se usaba el “Boíl Off Gas” de la gasificación del Gas Natural Licuado a bordo como combustible para las calderas ( NOTA. Hoy en día el Boíl Off Gas se utiliza en motores Diésel Dual Fuel (DF): sin embargo, para las grandes potencias en las que no alcanzan las gamas de estos motores; para los buques de guerra con propulsión nuclear, como submarinos o portaviones; y como calefacción, mediante pequeñas calderas auxiliares (calderetas) que aprovechan el calor residual de los gases de escape del sistema propulsor principal se continúa usando el vapor. Donde sí se utilizan ampliamente es en tierra, en las plantas térmicas de producción de energía eléctrica, tanto nucleares como de carbón o gas. Otro inconveniente que tiene la propulsión a vapor es la gran inercia térmica que conlleva. Se necesitan algunas horas para que una planta parada (fría) se ponga a pleno rendimiento. Esto ha hecho que, en algunas batallas navales, los barcos pillados por sorpresa no hayan podido reaccionar, como ocurrió en el ataque japonés a la flota de EE. UU. en Pearl Harbor en la segunda guerra mundial. 2.4.1.- Esquema básico de una instalación propulsora de vapor En esencia la caldera es el foco caliente (segundo principio de la termodinámica) donde el agua líquida se convierte en el llamado vapor saturado seco. En algunas plantas parte de este vapor se utiliza como calefacción o para cierta maquinaria auxiliar, pero la mayor parte pasa al sobrecalentado, que se puede considerar como una prolongación de la caldera, donde continúa recibiendo más calor para aumentar su temperatura. A continuación, el vapor sobrecalentado pasa a las turbinas donde cede su energía térmica para proporcionar trabajo, quedando como vapor saturado, normalmente con algo de humedad. Como una segunda parte del circuito podemos considerar que el vapor final que sale de las turbinas pasa, en primer lugar, por el condensador (fuente fría del segundo principio de la termodinámica). Este elemento es un intercambiador de calor en el que un fluido (agua y vapor) se enfría hasta convertirse en agua, cediendo su calor a otro fluido de circulación (agua de mar). Para su correcto funcionamiento, el condensador debe tener un cierto grado de vacío, el cual se logra mediante una bomba de extracción, o incluso se puede ayudar con unos eyectores. La bomba de extracción es, pues la pág. 10 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Esquema básico de un circuito de agua- vapor encargada de aspirar el agua del condensador y enviarla al tanque des-aireador, normalmente a través de un recipiente intermedio que es el condensador de eyectores (para evacuar los gases no disueltos). Como en el condensador existe un cierto grado de vacío, la tendencia normal es que de alguna manera entre aire en el circuito del agua. Este aire es muy perjudicial, crea corrosión por el oxígeno que lleva y crea problemas en la aspiración de las bombas, especialmente si son centrifugas (cebado), por lo que la misión del tanque des-aireador es que el agua se desprenda de todos los gases que pueda llevar disueltos, para ello se calienta mezclándola con vapor (ley de Henry). Del tanque des-aireador, el agua de alimentación lo aspiran las bombas de alimentación. Lo normal es que, por un lado, sean dos en serie, la primera es una bomba aportadora o booster, que aspira el agua del tanque des-aireador, el cual puede tener también vacío, y la descarga a la aspiración de la bomba principal de alimentación, ésta ya la descarga a la presión de servicio de la caldera. Por otro lado, como seguridad, estas dos bombas en serie deben ser redundantes, es decir, se deben tener otras dos que funcionen en paralelo (Stand by). El agua de alimentación descargada por la bomba de alimentación pasa a un intercambiador de calor dentro de la caja de humos de la caldera, llamado pág. 11 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE economizador, donde sufre el primer calentamiento aprovechando el calor remanente de los gases de escape de la combustión que se pierde por la chimenea. Finalmente, el agua ya caliente pasa otra vez a la parte principal de la caldera donde se vuelve a reanudar el ciclo. Todo esto que hemos comentado son las ideas básicas, el esquema real de una planta de vapor es bastante más complejo, pues habría que considerar, entre otras cosas, todo el sistema de vapor auxiliar, las posibles sangrías, los aportes para compensar las pérdidas que se producen por los obturadores de ejes, empaquetaduras, frisos, eyectores, etc. 2.5.-Historia Al avanzar la revolución industrial en el siglo XVIII se pensó también en propulsar los buques con vapor. Las máquinas a vapor ya habían ingresado decididamente en la industrialización de la hasta ahora manufactura. En cuanto al área marítimo en primer término, se propulsaron embarcaciones menores instalando pequeñas calderas de tubos de fuego y primitivas máquinas recíprocas de vapor. Alguna connotación logró en los Estados Unidos de Norteamérica el señor James Rumsey (1743 – 1798) y John Fitch 1743 – 1798) en este terreno. Sin embargo, recién en 1807 las máquinas ideadas y construidas por Robert Fulton fueron instaladas con satisfactorios resultados, a bordo de un vapor de nombre “Clermont”. Desde aquí en adelante la navegación a vela fue reemplazada rápidamente por el vapor. Este medio de propulsar las naves evolucionó muy rápidamente, en especial cuando se inventó la hélice (ver nota a continuación) y las calderas ya no solo consumían carbón sino petróleo. Las calderas evolucionaron también desde las piro-tubulares a las multi-tubulares de presiones críticas y de una alta capacidad de evaporación y producción de vapor sobrecalentado. Nota: La primera idea de la hélice la proporcionó Leonardo da Vinci entre 1486 y 1490 en su proyecto de helicóptero, pero la aplicación de la hélice a la propulsión de naves se aplica tres siglos más tarde, Bushnell en 1775 y Fulton en 1800 aplicaron ya hélices a los Submarinos por ellos ideados. Sin embargo, el primer resultado práctico no se obtuvo hasta 1826, en Trieste cuando el funcionario forestal Giuseppe Ressel aplicó una hélice de una espira y media al bergantín-goleta “Civetta”. Pocos años después, el agricultor ingles E.P. Smith obtuvo una patente para una hélice similar, hecha de madera. En 1863 la embarcación en que dicha hélice iba montada chocó con un escollo y perdió parte de ella, lo que se tradujo en un sensible aumento de la velocidad. A resultas de este incidente nacieron las hélices modernas, en las que las palas, en numero de 2 a 6, abarcan solo una fracción de la espiral, yendo dispuestas simétricamente en torno a un núcleo montado en el extremo del eje porta-hélices, que es el encargado de transmitir el movimiento de rotación. pág. 12 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Pero, a contar de la guerra de los seis días en el medio oriente – 1973 - que gatilló una brusca subida en los precios internacionales del petróleo, tal que el costo operacional de una nave se vería muy seriamente afectado, se comenzó a buscar otras fuentes de propulsión, como lo son los motores de combustión interna, notoriamente más eficientes. Si bien es cierto, se pudo reemplazar en buena medida la propulsión a vapor por el motor Diesel, no es menos cierto, que el vapor hasta el día actual sigue siendo necesario a bordo de ciertas naves como propulsión, en el caso de muchos buques de transporte de Gas Natural Licuado. Y como motor de máquinas auxiliares, como ser en el uso de bombas de descarga y de barrido y de la maquinaria de cubierta en los petroleros, para calefacción de combustibles pesados y para la calefacción de petróleo carga. En estos casos es muy frecuente el encontrar calderas de pozo o de Gases de descarga. Por tanto, daremos especial énfasis en este capítulo a las calderas piro-tubulares, a las calderas multi-tubulares compactas, a las de pozo y a las de gases de descarga. 2.5.1.- Tipos de Calderas de Vapor Como ya queda dicho, las calderas son los elementos de la instalación cuya misión es producir vapor de agua a partir del calor que se desprende al quemar en su interior algún combustible, como carbón, derivados del petróleo o algún gas. Las calderas marinas incluyen todos los aparatos utilizados a bordo de los buques para generar vapor a presiones superiores a la atmosférica. Estas se dividen en primer término, según la aplicación que se les da, en dos tipos básicos: 1. Calderas para propulsión a vapor, Calderas Principales 2. Calderas Auxiliares, utilizadas en buques impulsados por motores Diesel, para suministrar vapor a la maquinaria auxiliar. Estos sistemas auxiliares utilizados son: Vapor auxiliar (para la turbina de las bombas de alimentación y maquinaria similar). Turbogenerador, para la generación de energía eléctrica. Maquinaria de mando (timón). Servicio de cocina Calefacción (camarotes, salones, agua caliente servicios higiénicos, etc.). Calefacción del petróleo combustible Lavandería. pág. 13 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Destilación de agua. Bombas de lastre, de sentinas. Bombas de barrido en petroleros Maquinaria de cubierta en petroleros (cabrestante, winches de amarre, etc.) Así también tradicionalmente las calderas se han clasificado de una forma primaria en piro-tubulares o de tubos de llama y acuo-tubulares o multitubulares. Las calderas piro-tubulares se caracterizan porque los gases calientes procedentes de la combustión pasan por el interior de unos tubos cediendo su calor a una masa de agua que los rodea. Hoy son prácticamente piezas de museo y sólo se utilizan, por su simplicidad, en algunas calderetas de vapor auxiliar que aprovechan el calor remanente de los gases de escape del motor propulsor del buque. Históricamente, la más representativa de ellas es la conocida como caldera escocesa (Scotch). Esta caldera básicamente consiste en un cilindro con tres zonas: 1. La zona inferior es el hogar, donde se quema el combustible, y si éste es carbón hay que separarlo del fondo mediante la parrilla, que es un enrejado de hierro con unos claros del tamaño adecuado para que el aire pase entre el carbón ardiendo y deje caer al fondo el carbón quemado (cenizas) y las escorias. A esta zona baja del hogar se le suele denominar cenicero. 2. Del hogar, los gases calientes de la combustión pasan a la zona posterior de la caldera conocida como caja de humos. 3. De la caja de humos arrancan unos tubos horizontales por los que circulan los gases calientes, para finalmente salir por la chimenea tras completar el circuito. Esta tercera zona está situada encima del hogar, y en ella los tubos de humos están rodeados de la masa de agua a la cual calientan. Esquema de una Caldera Piro- Tubular de dos pasadas pág. 14 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Vista de la caja de humos ,tubo del fogon y haz tubular de la segunda pasada. Así como en las calderas piro-tubulares son los humos los que circulan por el interior de los tubos, en las calderas acuo-tubulares es el agua o el vapor que calentar el que circula por dentro de los tubos, y reciben el calor de la combustión por fuera de ellos. Desde hace ya bastantes años este es el tipo de calderas que se utiliza, ya que ofrece mejor rendimiento, tiene menos peso para la misma potencia de la planta, sobre todo de agua, y porque permite utilizar presiones más elevadas de vapor. 2.5.2.- Según Normas de Clasificación Las Normas UNE 9.002 y 9.003 presentan los diversos criterios de clasificación para las Calderas de Vapor y las Calderas de agua sobrecalentada respectivamente. En dichas normas, atendiendo a la disposición de los fluidos, se clasifican las calderas en: i de tubos de humo o de fuego (piro-tubulares) ii Calderas de tubos de agua (acuo-tubulares o multi-tubulares) iii Calderas de Pozo iv Calderas de recuperación de calor de Gases de descarga pág. 15 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Esta división, sobre todo en el área de calderas acuo-tubulares, debe ser ampliada para ser más comprensible, ya que este tipo de generadores se pueden clasificar en función de innumerables parámetros. A continuación, se indican de forma resumida diferentes formas de clasificación en función de las distintas variables que caracterizan a las calderas multi- tubulares. pág. 16 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Caldera Piro- Tubular Caldera de Pozo pág. 17 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Caldera de gases de escape A.- Según la circulación de los fluidos: a) Calderas de circulación natural. b) Calderas de circulación forzada. c) Calderas de circulación controlada o asistida. d) Calderas de circulación combinada (forzada y controlada). Dado que se considera esta clasificación como la más importante a continuación se define cada tipo. a) Caldera de circulación natural. Fig. 3.1 Este tipo de calderas sólo emplea los “fenómenos naturales” de circulación y evita la utilización de bombas de alta presión pág. 18 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Los tubos de humo pasan por la caldera y el gas de escape fluye dentro de los tubos. Esta construcción hace que la Caldera sea apta para la conexión a más de un motor con secciones de gases de escape separadas en una caldera. La caldera puede funcionar con circulación forzada con evaporación en un tambor de vapor separado o como una Caldera de circulación con tambor de vapor incorporado en la parte superior. La caldera se puede controlar mediante una válvula de emergencia y un condensador, o por un amortiguador de gases de escape de tres vías. Caldera Gases de escape de tubo de humo B.- Según la circulación de los fluidos: a) Calderas de circulación natural. b) Calderas de circulación forzada. c) Calderas de circulación controlada o asistida. d) Calderas de circulación combinada (forzada y controlada). Dado que se considera esta clasificación como la más importante a continuación se define cada tipo. b) Caldera de circulación natural. Fig. 3.1 Este tipo de calderas sólo emplea los “fenómenos naturales” de circulación y evita la utilización de bombas de alta presión. pág. 19 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE c) Caldera de Circulación Forzada. Fig.3.2 La circulación se obtiene por una bomba que impulsa el fluido por una serie de tubos situados en paralelo. Una desventaja de este tipo reside en su reducida capacidad de acumulación: el peso de agua contenido en la caldera es solamente del 5 al 10 por ciento del caudal horario máximo, comparado con el 20 al 30 por ciento para una caldera de circulación natural. Las cargas bajas en este tipo de caldera son muy peligrosas ya que, como el caudal que circula es pequeño, el agua se vaporiza y puede llegar a pasar al estado de vapor sobrecalentado. El empleo de este tipo de calderas es poco recomendable para presiones bajas, dada la gran variación de densidad del fluido. d) Calderas de Circulación Controlada o Asistida. Fig. 3.3 Es una caldera de circulación natural en la que se han intercalado una o varias bombas de circulación en los tubos de bajada. La igualdad de las velocidades en los tubos, que tienen distintos trazados, se obtiene por medio de diafragmas colocados en la entrada de cada tubo o grupo de tubos. Este tipo de caldera permite arranques más rápidos, ya que la circulación es pág. 20 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE establecida artificialmente. Se emplea para presiones comprendidas entre 140 y 190 Bar. e) Caldera de Circulación Combinada. Fig. 3.4 Esta caldera es una combinación de la de circulación forzada y de la de circulación controlada. En principio, la bomba de circulación trabaja para cargas inferiores al 60-70 por ciento de la plena carga. Para las otras cargas, la caldera trabaja con circulación forzada clásica con la bomba de alimentación. La bomba de circulación permite así soportar cargas notablemente bajas. Este tipo de caldera se usa sobre todo para presiones supercríticas. C.- Según la transmisión de calor a) Calderas de convección b) Calderas de radiación c) Calderas de radiación y convección D.- Según el combustible utilizado a) Calderas de carbón (parrilla mecánica, carbón pulverizado y lecho fluidificado) b) Calderas de combustibles líquidos pág. 21 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE c) Calderas de combustibles gaseosos d) Calderas para combustibles especiales (licor negro, bagazo, desperdicios de maderas, combustibles vegetales, etc.) e) Calderas de recuperación de calor de gases (con o sin post combustión) D.- Según el tiro a) Calderas de hogar presurizado b) Calderas de hogar equilibrado E.- Según el sistema de soporte a) Calderas apoyadas b) Calderas suspendidas F.- Según lugar de montaje a) Calderas montadas en taller b) Calderas montadas en campo G.-Según su implantación a) Calderas terrestres b) Calderas marinas H.- Según su ubicación a) Calderas a la intemperie (outdoor) b) Calderas protegidas contra intemperie (indoor) I.- Según su operación a) Calderas automáticas b) Calderas semiautomáticas (automáticas de encendido manual) c) Calderas de operación manual J.- Según la presión de trabajo a) Calderas subcríticas: − de baja presión: p ≤ 20 kg/cm² − de media presión: 20 ≤ p ≤ 64 kg/cm² − de alta presión: p ≥ 64 kg/cm² a) Calderas supercríticas K.- Según el medio de transporte del calor a) Calderas de vapor b) Calderas de agua caliente c) Calderas de agua sobrecalentada pág. 22 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.5.3.- Calderas Piro-tubulares Se denominan así porque los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de una masa de agua, todo ello rodeado por un cuerpo o carcasa exterior (Virola). Los gases al atravesar los tubos ceden su calor sensible, a través de sus paredes, al agua que los rodea, produciendo en las proximidades de los tubos su vaporización. El diseño de estas calderas está limitado por la presión de vapor, debido a que las presiones mayores de 2,5 MPa (25 kg/cm²) obligarían a usar mayores espesores de la carcasa o manto de estas. La producción de vapor alcanza como máximo 35 t/h. Ventajas: − Gran volumen de agua y, por tanto, mucha energía acumulada − Menores fluctuaciones de presión − Rendimientos altos Inconvenientes: − Riesgo de explosiones − Problemas frecuentes si se instala un sobre-calentador − Circulación del agua interior sin definir Fig. 3.5 Caldera Pirotubular de dos fogones pág. 23 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.5.3.1.- Calderas Piro-tubulares de Carbón Se caracterizan porque necesitan un hogar amplio donde se originan importantes pérdidas de calor tanto por convección como por radiación, siendo imprescindible la instalación de un buen aislamiento. El equipo de combustión en este tipo de caldera se suele montar “in situ”, por lo que requiere que el montaje final se efectúe en campo. Caldera Piro- Tubular a carbón moderna 2.5.3.2.- Calderas Piro-tubulares para Combustibles Líquidos o Gaseosos Son más pequeñas que las anteriores y se dividen en dos grupos 2.5.3.2.1 En este tipo de caldera, debido a que el combustible quemado es líquido o gas, se obtiene una llama alargada por la parte baja del hogar que es mucho más pequeño que en las de carbón. 2.5.3.2.2 Compacta con tubo de hogar y doble pasada. Fig. 3.7 Se caracteriza porque posee un tubo central sumergido en el agua, que hace de hogar. Los gases ceden calor a este tubo por radiación. Posteriormente, pasan por los tubos que también están sumergidos en el agua. A veces, y debido a las dimensiones de la llama, se suelen fabricar estas calderas con doble hogar paralelo.Fig.3.5 pág. 24 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Fig. 3.7 Caldera tipo Scotch de tubo de hogar y doble pasada. Como se ha explicado anteriormente, las calderas piro-tubulares necesitan mucho menos espacio que las calderas acuotubulares. De esta manera, la sala de calderas es menor. Se suelen entregar como unidades completas (salvo las de combustibles sólidos), por lo que para su puesta en servicio sólo requiere ser conectada a las líneas de suministro de agua, energía eléctrica, vapor y combustible. Todos los equipos necesarios para su funcionamiento, al igual que la caldera, suelen ir instalados sobre un bastidor común, requiriendo tan sólo una cimentación sencilla, lo que representa otra ventaja frente a las calderas acuo-tubulares. También, el ventilador de aire de combustión se instala en equipo compacto con el quemador (calderas de baja producción hasta 3.000 kg/h de vapor) o sobre el cuerpo de caldera (calderas hasta 35.000 kg/h de vapor). Se usa con combustibles líquidos o gaseosos, en unidad compacta, con funcionamiento totalmente automático y con la siguiente composición: pág. 25 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 1. Cámara de combustión Es la zona donde se produce la combustión y, generalmente, se compone de una parte de hogar liso (la más próxima al quemador) y otra de hogar ondulado para hacerlo más flexible. 2. Cajas de humos En las cajas de humos los gases invierten el sentido de su movimiento. Su número depende del o los pasos de gases: 2 pasos de gases: 1 caja de humos 3 pasos de gases: 2 cajas de humos En este último caso se coloca una en la parte anterior y otra en la posterior. 3. Sobre- calentador Habitualmente, se fabrican estas calderas para producir vapor saturado, aun cuando se puede instalar un sobre-calentador que se puede situar en la caja delantera como trasera, dependiendo de los diseños. Suele ser de tipo serpentín (drenable) o del tipo de tubos en U (no drenable). En su colector de salida se sitúan la válvula de seguridad, presóstatos, termómetro y manómetro, además de tener los correspondientes injertos para purga y aireaciones. 2.5.4.- Calderas Acuotubulares Así como en las calderas piro-tubulares son los humos los que circulan por el interior de los tubos, en las calderas acuotubulares es el agua o el vapor que calentar el que circula por dentro de los tubos, y reciben el calor de la combustión por fuera de ellos. Desde hace ya bastantes años este es el tipo de calderas que se utiliza preferentemente, ya que ofrece mejor rendimiento, tiene menos peso para la misma potencia de la planta, sobretodo de agua, y porque permite utilizar presiones más elevadas de vapor. En las calderas acuotubulares, de una forma global, también podemos distinguir tres zonas: a) El hogar o cámara de combustión. b) La zona de agua y vapor, que está formada por los distintos tubos y colectores por donde circula el agua y el vapor. c) Conductos de gases: doble envuelta para el aire de entrada y caja de humos. pág. 26 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Funcionamiento El agua procedente de la bomba de alimentación que alimenta la caldera pasa en primer lugar por el llamado economizador, que no es más que un intercambiador de calor donde el agua, que circula por unos tubos a modo de serpentín, aprovecha el calor residual que tienen los gases de escape antes de salir por la chimenea. De la salida del economizador, el agua se dirige a la caldera propiamente dicha y entra en la zona de agua de un gran depósito o colector alto, conocido como colector de vapor o calderín. La mayor parte del calor producido en la combustión se transmite al agua de la caldera a través de las paredes de los distintos tubos vaporizadores. Aprovechando las corrientes de convección, que se producen por la diferencia de densidades al calentarse, la mezcla de agua y vapor asciende por estos tubos hasta el calderín. El colector de vapor actúa como una cámara de expansión y es donde se separan el agua líquida del vapor, haciendo pasar esta mezcla por unos dispositivos dentro de él, (que dependerán de cada fabricante y modelo). El vapor saturado procedente del calderín se dirige al recalentador, de donde sale a mayor temperatura y sin apenas variación de presión, para ser utilizado en las turbinas. Foto de una Caldera acuotubular o multitubular tipo “O”, aun sin su envolvente pág. 27 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Por su parte el agua líquida retorna de bajada por los tubos de caída, más alejados del hogar (teóricamente más fríos para completar el circuito convectivo de circulación), hasta el colector bajo o colector de agua, y a los cabezales. A su vez, de estos colectores es de donde arrancan los tubos vaporizadores descritos anteriormente. Esquema de una Caldera multitubular y sus elementos pág. 28 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.5.5.- Calderas Acuotubulares Compactas En este apartado se recogen las calderas acuotubulares de montaje in situ que compiten con las calderas piro-tubulares recogidas en el apartado 1.2, y que por lo tanto son de baja producción de vapor, aunque pueden llegar a presiones altas. Entre las grandes ventajas que presentan estas calderas compactas sobre otros tipos de generadores de vapor está la de requerir, en general, un espacio menor de instalación para una misma superficie de calefacción, así como presentar un peso más reducido, circunstancia que debe tenerse en cuenta para su transporte e instalación. Las calderas de tubos de agua son, especialmente, aptas para trabajar con altas presiones, adaptándose a las máximas potencias, ya que sus piezas pueden construirse con facilidad y economía. Las calderas acuotubulares, por su relativamente reducido volumen de agua y buena circulación interior, levantan presiones con mucha rapidez, lo que tiene como contrapartida lógica su relativamente pequeño poder acumulativo cuando se trabaja con grandes variaciones en el consumo de vapor. Para subsanar este inconveniente es por lo que ciertas calderas de tubos de agua tienen uno o varios tambores colectores (Fig. 5), con lo que se tiene mayor cantidad de agua dentro del sistema de la caldera. En las calderas acuotubulares se dispone la superficie de convección de tal manera que una parte de los tubos actúen como conducto de bajada y el resto como conducto de subida, dependiendo de la cantidad de calor que se transmite a los tubos. Esto se denomina circulación natural. (Fig. 3.9) Las primeras hileras, formadas por muchos tubos que están expuestos al calor radiante directo (Fig. 3.8), actúan como tubos de elevación y el resto como tubos de bajada. El agua que baja (a temperatura de saturación o un poco menos), no está mezclada con burbujas de vapor. Los circuitos de ascenso (a la temperatura de situación) arrastran una mezcla de agua y vapor hacia el colector de vapor. La densidad menor de la mezcla dentro de los tubos de subida proporciona la presión motriz que mantiene la circulación (Fig. 3.9). Si se quema más combustible aumenta el número de tubos que actúan como elevadores, con la correspondiente disminución de los tubos de bajada. Una combustión excesiva puede reducir el número de tubos de descenso por debajo del límite tolerable pág. 29 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE La circulación se beneficia intercalando un sobre-calentador de convección entre los haces de los tubos para separar las bajadas de las subidas, definiéndolas perfectamente. El agua sube por los haces del lado del hogar y desciende por los más alejados ya que los gases de la combustión, cuando llegan a estos últimos, han perdido temperatura a través de los primeros y del sobrecalentado de vapor, y calientan menos el agua. pág. 30 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Todas estas calderas tienen en común entre sí que el espacio del hogar viene limitado por superficies refrigerantes calentadas por radiación, las cuales son mucho más eficaces que las superficies de calefacción por convección. Las calderas con hogar con “paredes de agua” tiene un problema adicional con la circulación. El calor radiante es absorbido con tal rapidez que una gran parte del tubo se llena de vapor cerca de su extremo superior. Para subsanar este inconveniente se necesitan conexiones que faciliten la circulación en las paredes de agua, es decir, tubos de bajada que alimenten los colectores de las paredes de agua y tubos de subida que conecten los colectores con los calderones y completen así el circuito. Las áreas de flujo de las bajadas dependen del tamaño de la pared expuesta al fuego, de la altura efectiva del agua en la pared y de la cantidad de calor absorbido. pág. 31 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Con frecuencia es necesario instalar tubos de bajada externos o internos sin calefacción, para evitar deterioros en la zona de transición. Los tubos externos de bajada se requieren cuando la envolvente del hogar o “pared de agua” está formada por una sola hilera de tubos. 2.5.5.1.-Ventajas de las Calderas Multi-tubulares: − Bajo riesgo de explosión fuerte − Mejor título del vapor − Rendimientos elevados − Colocación sencilla del sobre-calentador − Circulación del agua interior definida 2.5.5.2.-Inconvenientes de la Caldera Multi-tubular: − Menor energía almacenada que en las calderas piro-tubulares para la misma producción, aun cuando reacciona rápidamente a las variaciones de presión − Mayor costo inicial 2.5.6.- Clasificación de las Calderas Multitubular compactas Este tipo de caldera compacta se puede clasificar de acuerdo con la forma de la sección del hogar en tres tipos: A, D y O. en cualquiera de los tres casos la circulación es natural. Las calderas de tipo A pueden llegar a producir hasta 125 t/h (requieren montaje en campo) y se caracterizan por ser de diseño de tres tambores (1 superior y 2 inferiores de menor volumen). Su simetría de diseño las hace simples para su montaje y manejo. El diseño de este tipo tiene un haz vaporizador con múltiples circuitos de tubos simples que comienzan en los tambores inferiores y terminan en el tambor de vapor. La forma de unión de los tubos en ambos tambores es por expansionado. El factor que determina el espesor de las chapas de los tambores es el diámetro y las distancias entre los agujeros (coeficiente de ligadura). A fin de disminuir este espesor se suelen utilizar tubos de diámetro más pequeño. El sobre-calentador puede ser de convección o de radiación. A este tipo de calderas pertenecen las calderas marinas de dos hogares con vapor sobrecalentado (Fig. 3.10). Las calderas del tipo D llegan a producir 74 t/h (Fig. 3.11). constan de un tambor inferior y de un tambor superior de vapor. pág. 32 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Al alojar el sobre-calentador en el paso de convección (sobre-calentador de convección) mejora la circulación de la caldera. Este tipo de caldera es el más usado por los fabricantes como caldera acuo-tubular tipo “compacta” (package) para quemar petróleo pesado, gas o combinación de ambos. pág. 33 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Caldera Foster Wheeler tipo “D” Las calderas de tipo O son simétricas como las de tipo A y, asimismo, pueden llegar a producir 75 t/h. El sobre-calentador es de tipo radiante. Al igual que las anteriores, se usan para quemar cualquier tipo de combustible líquido, gaseoso o combinación a ambos. pág. 34 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 2.5.7.- Calderas de Pozo (Tank Type Boiler) (Tipo Container) A esta clasificación pertenecen un gran número de Calderas hoy en uso a bordo de los buques de la Marina Mercante. Su mayor característica y de donde deriva su nombre es que se fabrican dentro de un cilindro vertical y puede combinar una parte de tubos de fuego y otra de tubos de agua. De este tipo de calderas encontraremos una variedad muy grande a bordo de las naves de la Marina Mercante, en especial para el uso auxiliar, (que no proveen vapor para la propulsión de la nave) como ser proveer vapor para bombas de varios tipos (lastre, sentinas, descarga y barrido de petroleros, calefacción de combustibles pesados, calefacción de petróleo carga, para propulsar varios tipos de máquinas instaladas en cubierta, winches, cabrestantes, molinetes, etc. O para el uso doméstico, como ser vapor para calefacción de camarotes, calefacción de agua, etc. Estas calderas se construyen generalmente de una combinación de una parte de tubos de fuego y otra de tubos de agua. Su producción de vapor generalmente no supera las 20 ton/hr. de vapor. Su presión de trabajo puede llegar a unos 1,7 MPa (17 Bar), aunque las de mayor uso fluctúan alrededor de los 0,7 MPa (7 Bar) de presión de trabajo. Se distinguen dos grupos de estas calderas: a.- Horizontales b.- Verticales 2.5.7.1.- Calderas de Pozo Horizontales Sin lugar a duda la más conocida de este tipo es la “SCOTCH” o Caldera piro-tubular cilíndrica, cuyo diseño se ha mantenido casi inalterado desde el 1900. Sus mayores cambios han consistido en que su carcasa ya no es remachada, sino soldada y que su pág. 35 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE presión de trabajo se ha aumentado de 0,6 MPa (6 Bar) hasta 1,7 MPa (17 Bar) en la actualidad. Esta caldera también fue de uso principal, es decir para proveer vapor de propulsión para naves mercantes de pequeño y mediano tamaño. Esta caldera esencialmente consta de uno hasta tres fogones cilíndricos horizontales. Estos fogones son construidos de plancha de acero corrugados, esto permite una dilatación elástica de este al variar su temperatura. Posee dos placas de tubos, por las que se instalan una serie de tubos de fuego soldados a estas placas que a su vez son fijadas con varios tubos denominados ¨Tubos Estay¨ que van hechos firmes con terminales roscados. Todos estos elementos van encerrados por una carcasa que contendrá el agua y en uno de sus extremos cuenta con una caja de humos. Se muestran algunos tipos a continuación en Fig. 3.11. Fig. 3.11 Caldera tipo tubos de fuego horizontal 2.5.7.2.- Calderas de Pozo Verticales De este tipo tenemos una variedad muy grande de modelos, que básicamente consisten en una carcasa cilíndrica dispuesta verticalmente, en su parte inferior contiene un fogón muchas veces de forma semiesférica a la cual en muchos modelos se le colocan tubos de fuego de regular diámetro, 150 a 200 mm y en su interior se fijan tubos de agua los cuales para facilitar la conducción del calor del fogón llevan una serie de aletas soldadas a este tubo. De este tipo son las fabricadas por Sunrod. También las hay en que el fogón contiene un gran tubo de humos que conduce el flujo de fuego a través de un haz tubular. pág. 36 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE De este tipo de calderas también encontramos una serie mixta en que durante la navegación hacemos pasar los gases de escape del motor propulsor por ella y recuperamos ese calor para calentar el agua y producir vapor. En puerto nuevamente usaremos un quemador de petróleo para ello. A continuación, se muestran varias figuras con algunos de los tipos de calderas de pozo verticales, que muestran las más comúnmente existentes a bordo pág. 37 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Fig. 3.38 Surod type Auxiliary Boiler 3.0.- El Control en las Calderas Introducción La caldera marina tradicional utilizaba un sistema de control de relé-contactor. El proceso de control requiere mucho de contacto mecánico; el cableado del sistema es complejo; el diagnóstico y la eliminación de fallas son difíciles; La confiabilidad no era alta. Una vez que ocurre una falla, afectará el uso de la planta de energía marina y retrasará su uso, resultando en pérdidas económicas, aunque después de una serie de optimizaciones por parte de los fabricantes, el problema de la baja fiabilidad sigue siendo difícil de resolver. Los sistemas de calderas tienen muchos factores que afectan la eficiencia del proceso de su control. Un sistema de control tradicional es complicado y requiere programación física de hardware y software. La moderna consola del operador es más compacta y funciona mejor. Independientemente del sistema de caldera, el operador puede ejecutarlo automáticamente, permitiendo cambios en muchas variables como entrada de combustible, combustión de aire, flujo de alimentación de agua, temperatura de vapor, etc. De hecho, es imposible controlar todas estas variables simultáneamente en el modo manual. Se han desarrollado sistemas modernos con un alto grado de precisión que pueden proporcionar pág. 38 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE pág. 39 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE excelentes resultados para mantener altos niveles de eficiencia, confiabilidad y seguridad. El controlador lógico programable (PLC) se desarrolló en 1968 y desde entonces ha mejorado rápidamente y se ha aplicado a muchas industrias manufactureras. Además del PLC Allen Bradley, se desarrollaron otros módulos como la interfaz hombre-máquina (HMI), variadores de frecuencia (VFD) y componentes de seguridad. Es por tal motivo que se explicará en particular el sistema PLC, (Programmable Logic Control) este sistema de control automático ya que es actualmente utilizado en la mayoría de las instalaciones modernas de Calderas de vapor a bordo, tiene muchas ventajas de las que carece el relé tradicional, incluida una respuesta rápida, convenientes características de comunicación, confiabilidad, redundancia y seguridad. Este diseño utiliza el PLC para controlar el nivel del agua de la caldera, la presión del vapor, la combustión, la calidad del agua, la descarga excesiva de aire y sistema de alarma, que puede mejorar eficazmente la fiabilidad del sistema de control de la caldera y garantizar el funcionamiento normal de la planta de energía a bordo. El núcleo del sistema de control automático de la caldera es PLC. Todos los datos del sensor se envían al canal de entrada del PLC. El PLC controla el nivel de agua de la caldera, la presión del vapor, la calidad del agua, la combustión y alarma de acuerdo con los procedimientos predeterminados, realizando arranque automático, parada y cambio de bomba de alimentación y bomba de combustible y manteniendo el funcionamiento normal de la caldera. Cuando los parámetros de la caldera excedan el valor establecido, el sistema puede abrir automáticamente la alarma visible de luz y/o sonido. Si la presión es alta pero no detiene automáticamente la caldera, la alarma de presión de vapor alta suena en primer lugar, entonces la alarma de presión de vapor extra alta fuerza el apagado y el dispositivo de liberación de vapor excesivo de la caldera comienza automáticamente a liberar flujo al condensador y mientras tanto hace alarmas continuas. Al mismo tiempo, para garantizar la seguridad, el sistema también incluye un botón de parada de emergencia para garantizar que en cualquier momento puede activarse una parada de emergencia. 3.1.- Principio de diseño del control 3.1.1.- Composición del hardware El sistema de control automático de la caldera incluye un módulo de control PLC, módulo de control del nivel de agua de la caldera, módulo de control de presión de vapor, módulo de control de combustión, módulo de monitorización de la calidad del agua , módulo de control y liberación de exceso de vapor, módulo de alarma centralizado y módulo de operación visual. pág. 40 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Diagrama del sistema de Control Automático Módulo de control del nivel de agua de la caldera El módulo de control del nivel de agua de la caldera está compuesto por el transmisor de nivel de líquido de la caldera. Instrumento de visualización del nivel de agua, caja de control de la bomba de alimentación, etc. Puede dejar la caldera automática, incluyendo bomba de agua de alimentación, interruptor, pantalla de nivel de agua en tiempo real y alarma de nivel de líquido anormal. El modelo del transmisor de nivel de líquido es CLT-ISOL-24, que se encarga de la detección del nivel de agua y transmisión de señales de nivel. El instrumento de visualización del nivel de agua de la caldera seleccionado es el modelo WL-T803-01-23- HLP, es instalado en la consola de control de la sala de control de máquinas. Módulo de control de presión de vapor de caldera El módulo de control de presión de vapor de la caldera está compuesto por un transmisor de presión de vapor, etc. El transmisor de presión de vapor utiliza el modelo MF1567- 3CA00-1AA1, la señal de presión de vapor es convertido a una señal de corriente de 4 ~ 20mA al PLC. El PLC controla el tamaño de la abertura del conducto de aire del quemador. Al mismo tiempo, la señal de arranque o parada del quemador se envía al controlador del programa de combustión, y en él se muestra el valor de presión de vapor de la caldera Cuando la presión de vapor es alta, suena la alarma. Módulo de control de combustión de caldera El módulo de control de combustión de la caldera está compuesto por un regulador de puerta de aire, una bomba de combustible con motor de frecuencia variable y un sensor de velocidad de la bomba de suministro de combustible. pág. 41 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE El PLC monitorea la presión de vapor de la caldera. Cuando la presión de vapor es menor que el punto de ajuste de baja presión sea por ej. 0.45MPa envía una señal de encendido de la caldera. Cuando la presión alcanza el valor de alta presión establecido, por ej. 0.7MPa, envía la señal de parada, controlando automáticamente el funcionamiento de la caldera. Además, el PLC controla la apertura de la puerta de aire del quemador de acuerdo con la señal de presión de vapor enviando una señal de 4 ~ 20 mA. Que hace posible regular la velocidad de la bomba de suministro de combustible. La cantidad de inyección está controlada por el convertidor de frecuencia, por lo que se puede calcular el tamaño de la llama. según la presión de vapor de la caldera se ajusta la velocidad de la bomba de combustible, hasta que la llama sea normal, etc. Si no fuese así emitirá una alarma anormal o un comando de apagado a través del dispositivo de monitoreo correspondiente. Módulo de control de la calidad del agua de la caldera El módulo de monitoreo de la calidad del agua de la caldera comprende un electrodo conductor inserto en el contenido de agua. Dispositivo de alarma de 15ppm, electrodos conductores para analizar y detectar el agua de la caldera. El Módulo de control de nivel de agua, Módulo de control de presión de vapor, Módulo de control de combustión, Módulo de monitoreo de la calidad del agua, Módulo de liberación de exceso de vapor, Módulo de operación visual, Módulo de alarma centralizado, Monitor de salinidad para transmitir la señal a la resolución. Cuando la salinidad es demasiado alta, la señal de alarma es enviado al sistema de alarma PLC. Módulo de alarma centralizado Todas las señales de alarma e indicaciones controladas por el PLC ingresan al sistema informático PLC. Después procesado por la CPU, las señales de visualización de alarma e iluminación se envían al canal de salida para alarma y/o señales visuales de luces, y mientras tanto se envía al sistema de detección itinerante de la sala de máquinas. Módulo de operación visual Utiliza una pantalla táctil para operar todo el proceso, muestra la entrada y la salida, verifica las alarmas y ajusta los parámetros. El Modelo de selección de pantalla táctil: CPU MCGS TPC7062Ti Cortex-A8, Kunlun Tongtai, pantalla táctil resistiva de 7 pulgadas y cuatro cables con integración, con potentes funciones de visualización y procesamiento de datos. pág. 42 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Interfaz de control automático Módulo de liberación de exceso de vapor de la caldera El módulo de liberación de exceso de vapor de la caldera consta del dispositivo de conversión de señal I / P, dispositivo de liberación de vapor, etc. Cuando el PLC detecta que la presión del flujo alcanza, por ej. 0.7MPa, la señal de salida del dispositivo de descarga de vapor abre la válvula de alivio que transfiere al dispositivo de conversión analógica I / P, y el exceso de vapor es liberado por la Válvula de vaciado de vapor, cuando la presión del vapor es demasiado alta, se envía una alarma. 3.1.1.1.- Diseño de software Comunicación del sistema. Este sistema utiliza principalmente STEP7-Micro / WIN32 como software de programación, de programación del proceso de implementación del sistema, la CPU S7-200 y utiliza EM277 PROFIBUS-DP módulo para conectar la red PROFIBUS-DP y utiliza S7-200 CPU EM277 para leer / escribir datos. pág. 43 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Esquema típico de control automático de la combustión de una Caldera 3.1.1.1a.- Regulación de combustión Generalmente se usa la regulación llamada modulante que, en función de la presión de vapor, posiciona la válvula de control de combustible y el servomotor del ventilador pág. 44 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Suele utilizarse la denominada de un elemento mediante un controlador que posiciona la válvula del control de alimentación en función del nivel detectado en la caldera. 3.1.1.1b.- Seguridades Habitualmente, se encuentran en una caldera las siguientes seguridades: Bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel que provoca una alarma y en Calderas auxiliares el corte de combustible, que exige una acción manual para la puesta en servicio. Muy bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel independiente del anterior que genera una alarma y un corte de combustible. Exige acción manual para su posterior puesta en servicio. Alto nivel de agua. Se detecta por un limitador que genera una alarma óptica y acústica. Provoca la parada de bombas de agua de alimentación. Alta presión de vapor. Se detecta por un presóstato seteado a una presión inferior a la de disparo de las válvulas de seguridad. Actúa sobre el corte de combustible parando la combustión, requiriéndose una acción manual para nueva puesta en servicio. Fallo de llama o de la celda fotoeléctrica. Se detecta por la celda fotoeléctrica instalada en el quemador. Provoca una alarma y un corte de combustible, requiriéndose una acción manual para nueva puesta en servicio. Baja temperatura de combustible (cuando se quema petróleo pesado). Se detecta por un termostato colocado en la tubería de llegada al quemador. Provoca una alarma sonora y visible. Fallo de corriente eléctrica. Provoca una alarma y un corte de combustible, requiriéndose una acción manual para nueva puesta en servicio. Falla en la presión de aire para la combustión. Provoca una alarma y un corte de combustible, requiriéndose una acción manual para nueva puesta en servicio. Falla en la bomba de alimentación. Provoca una alarma y un corte de combustible, requiriéndose una acción manual para nueva puesta en servicio. pág. 45 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE pág. 46 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 3.1.1.1c.- Válvulas de seguridad.Fig.3.22, Cada Caldera deberá contar con un elemento de seguridad que en caso de producirse un aumento de la presión de vapor por sobre su presión de trabajo, esta presión pueda ser descargada a la atmósfera y así evitemos una falla mayor a la estructura de la Caldera, que pudiera incluso conducir a la explosión de ella. La práctica habitual y lo que recomiendan las Sociedades de Clasificación es que se colocan dos (2) en el colector de vapor de la caldera y al menos una (1) en el sobre- calentador (si existe). Las válvulas de seguridad se ajustan a una presión cercana a la presión de trabajo de la Caldera, pero no sobrepasando un tres (3%) por ciento por sobre la presión de trabajo con un máximo recomendado de no más de 0,21 Kg/cm2, y la gama completa de ajustes de la presión de todas las válvulas de seguridad de vapor saturado en una caldera no excederá de un diez (10%) por ciento de la presión máxima a la que se fija cualquier válvula. Al calibrar la apertura de las válvulas de seguridad ubicadas en el colector de vapor, primero se ajusta una a la mayor presión y luego la siguiente a un poco menos presión. En el Bitácora de Maquinas se registrarán estas presiones y fecha de calibración. Importante: Estas válvulas deberán ser montadas directamente al colector de vapor de la caldera y/o al ducto de vapor sobrecalentado, esto es no deberán tener válvulas de incomunicación ni otras derivaciones. Figura 3.22. Válvula de Seguridad pág. 47 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 3.2.- Equipos auxiliares Indicadores de nivel. Se suelen situar dos (2) indicadores independientes, donde se indican de forma visible los distintos niveles de seguridad (alto, bajo y muy bajo). Llevan convenientemente instalados los grifos de comunicación (con dispositivo de cierre) y grifos de purga. Figura 3.23 Nivel de agua del colector de la caldera En la foto de la izquierda se pueden apreciar las indicaciones de: Muy alto nivel Alto nivel Nivel de trabajo Nivel bajo Nivel muy bajo pág. 48 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Figura 3.24 Equipo de combustión compacto con ventilador de tiraje forzado integrado. Equipo de combustión. Compuesto por quemador y moto-ventilador de aire comburente como equipo compacto. Grupo de preparación de combustible. Lo comprenden filtros, calentadores, purificadores, clarificadores, válvulas de control de flujo, etc. Motobombas de agua de alimentación (1 de reserva), con sus correspondientes válvulas de aislamiento, by-pass0 M, manómetros, etc. Manómetros y termómetros en los diferentes fluidos. Tuberías para inyección de reactivos químicos y para purga. pág. 49 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 4.0.- Generación de vapor en buques con propulsión por motores de combustión interna. 4.1.- Calderas de Recuperación de Calor de Gases de Descarga (Exhaust Gas Boilers) Las plantas generadoras de vapor a bordo de los buques con propulsión Diésel se caracterizan por tratar de cubrir sus necesidades energéticas auxiliares a partir del calor sensible de los gases de escape del motor principal, y, cuando esto no es posible, complementarlo quemando combustible. En la figura 3.25 se representan las cinco soluciones más comunes. En la mayoría de los buques de carga, las necesidades de vapor se cubren de sobra mediante la recuperación del calor sensible de los gases de escape del motor, cuando la nave se encuentra en navegación. Las soluciones usuales corresponden a las opciones a, b y c de la figura 3.25, que tiene la circulación natural. pág. 50 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Estas calderas consisten fundamentalmente de una carcasa y una serie de tubos de agua y/o fuego en que por su exterior o exterior según sea el caso, pasan los gases de escape del motor Diesel de propulsión y entregan su calor antes de escapar a la atmosfera. La temperatura de los gases de escape de un motor Diésel oscilan entre los 350 y 600 grados Centígrados, temperatura Figura 3.25, Sistemas de recuperación de energía de los gases de escape de un motor pág. 51 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE y caudal de gases suficientes para producir todo el vapor necesario durante la navegación. Si, efectivamente las necesidades de vapor son mínimas, una caldera mixta, solución “a”, es suficiente. En este caso el haz convectivo se calienta durante los periodos de navegación con los gases de escape del motor y en puerto mediante un quemador. Probablemente sea la solución más económica, pero tiene el inconveniente que no permite el calentamiento simultáneo con ambas fuentes de calor. La solución “b” corresponde a una caldera compuesta, en ella las superficies de calefacción para los gases de escape del motor y la de los gases de la combustión de la propia caldera son distintos, pudiéndose combinar simultáneamente todas las posibilidades de calefacción que ofrece. Para necesidades de calefacción comprendidas entre 1 t/h y 4 t/h es la solución óptima desde el punto de vista económico porque cubre prácticamente todas las necesidades de vapor durante la navegación aprovechando únicamente los gases de escape del motor; en puerto o en las puntas de demanda utilizan los quemadores. 4.2.- Sistemas de recuperación del calor de los gases de escape de los Motores Diesel. La solución “c” representa una mayor seguridad de suministro, por la redundancia que supone la doble caldera. Tiene un mayor coste inicial y de mantenimiento. Al incrementarse las necesidades de vapor durante la navegación se hace necesario recurrir a la circulación forzada, soluciones “d” y “e”. La opción “e” se aplicaría básicamente a los petroleros, en ella se dispone de un economizador y un sobrecalentador para conseguir una recuperación máxima del calor sensible. El economizador se aparta del economizador convencional ya que hace circular agua subenfriada en vez de agua de alimentación. La razón es que cuando desaparece la demanda de vapor, en una caldera clásica, los fuegos se apagan y el regulador de agua corta la alimentación de agua al economizador, mientras que en caso del esquema e, al cesar la demanda de vapor, el economizador se quedaría sin circulación de agua interior mientras los gases de escape continúan calentándolo, esto haría que se formase una bolsa de vapor en su interior con el agua estancada. Cuando volviese a surgir la demanda se abriría de nuevo la válvula del regulador del agua de alimentación, disminuyendo bruscamente la presión en el economizador, con formación adicional de vapor, dando lugar a un régimen transitorio con inestabilidades y choques térmicos. Cuando se desea una recuperación máxima del calor sensible aparece una limitación en la temperatura de funcionamiento para no alcanzar el punto de rocío de los ácidos pág. 52 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE derivados del azufre (sulfúrico, sulfhídrico, sulfuroso, etc.), que surgen como consecuencia del contenido de azufre de los combustibles y que salen con los humos. Los esquemas de circulación forzada se basan, por tanto, en una alimentación directa al calderín (área del colector de vapor de la caldera de quemadores, circulando agua extraída de la parte inferior del mismo y a una temperatura variable, según la demanda de vapor. Circula, por tanto, una mezcla de agua saturada y agua fría de alimentación. Probablemente sean los petroleros los buques que más demandan el vapor, ya que lo necesitan para distintas funciones específicas, como pueden ser la calefacción de la carga, la descarga y limpieza de tanques. Esto les exige una planta generadora de vapor de cierta importancia, aunque su propulsión principal sea un motor Diésel. Si la propulsión principal fuese el vapor se suelen utilizar los generadores de doble evaporación o vapor/vapor. Estos consisten básicamente en un intercambiador de calor en el que se emplea como fluido calefactor el vapor vivo procedente de las calderas principales, mientras que el vapor secundario obtenido se emplea, en general, para aquellos servicios donde exista el riesgo de contaminación. Los componentes de una caldera de doble evaporación son, por tanto, un generador de alta presión (unos 40 Bar), un intercambiador de calor, donde a partir del agua, no siempre de muy buena calidad, se produce vapor de baja presión (unos 12 Bar o incluso pág. 53 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE más) y finalmente puede existir un sobrecalentador para el vapor de baja presión, calentado con los gases de escape del generador principal de alta presión. El control de las plantas generadoras de vapor anteriores exige una regulación tanto de las calorías cedidas por los gases de escape como del caudal del combustible a quemar, además del nivel de agua en el calderín o colector de vapor. Todos estos controles se pueden conseguir por los siguientes métodos: 1. Mediante by–pass de los gases de escape. 2. Variando la superficie efectiva de intercambio de calor. 3. Variando la presión de trabajo del vapor. 4. Variando la temperatura del agua de circulación. 5. Variando el caudal del agua de circulación. 6. Condensando el exceso de vapor en un condensador auxiliar. El fundamento físico de los métodos tercero y cuarto es que la transmisión del calor es proporcional a la diferencia media logarítmica de temperatura entre el fluido caliente y el frío, y que esta diferencia varía con la presión del vapor saturado y con la temperatura del agua de circulación a la entrada del intercambiador de calor o caldereta. Las instalaciones correspondientes a los esquemas a y b de la figura, sólo admiten el primer método de regulación. De todas formas, es esencial tener en cuenta las necesidades mínimas. de vapor, que pueden ser nulas, pues no conviene que alguna placa tubular quede sin circulación (refrigeración), por lo que resulta prácticamente obligado disponer de un pequeño condensador auxiliar que asegure un cierto consumo a un nivel mínimo (método quinto). En los casos de circulación forzada (esquemas “d” y “e” de la figura) todos los métodos son aceptables, siendo el primero la solución más simple. Sin embargo, para los grandes petroleros, el elevado caudal de gases hace que esta solución no se haya adoptado habitualmente, sino más bien el método segundo, o una combinación del tercero y el cuarto. Siempre se dispone, además, de un condensador auxiliar para cuando la demanda de vapor sea mínima. El método tercero presenta el inconveniente práctico de tener que trabajar con una presión de vapor variable. El cuarto está basado en un cambio de la temperatura del agua de circulación a la entrada de la caldera. Su margen de regulación es muy pequeño y por ello se usa en combinación con el método tercero. Desde el punto de vista de la complejidad del sistema de regulación el método primero es el más simple, mientras que la combinación del tercero y el cuarto resulta la más complicada. El método segundo es el intermedio, pero presenta el pág. 54 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE inconveniente de una mayor posibilidad de formación de depósitos en el interior de los tubos debido a la evaporación rápida que se produce después de cerrar las válvulas automáticas de control, por lo que si se utiliza este método se deben cuidar muy bien la calidad de las aguas que se usen. 5.0.- Elementos auxiliares de las Calderas. 5.1.- Sobre-calentadores La producción de vapor a temperaturas superiores a la de saturación recibe el nombre de sobrecalentamiento. La temperatura agregada se llama grado de sobrecalentamiento. Las condiciones de éste se expresan, ya sea indicando la temperatura real, o bien los grados de sobrecalentamiento para una presión determinada. Para la producción de este vapor sobrecalentado se utilizan los sobrecalentadotes. Estos elementos están comunicados con el colector de vapor del que reciben vapor saturado y con la turbina a la que envían el vapor sobrecalentado. Para su perfecto diseño es necesario conocer en todos sus puntos la temperatura máxima de metal para así usar el material más adecuado. En cuanto a su constitución, pueden ser horizontales o verticales (Fig. 3.15 o 3.16). pág. 55 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE Fig. 3.15 Vista de tubos de vapor sobrecalentados en una Caldera de propulsión pág. 56 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 5.2.- Recalentadores Después de haberse expansionado en la turbina el vapor sobrecalentado, con el objeto de aumentar el rendimiento del ciclo antes de que la temperatura del vapor sobrecalentado llegue al valor de saturación correspondiente a la presión más baja, se vuelve a sobrecalentar (recalentar) en los recalentadores. Una representación elemental de un ciclo aparece en la Fig. 3.17 5.3.- Atemperadores Su misión es la de reducir la temperatura de salida del vapor primario mediante la introducción de agua fría procedente de las bombas de agua de alimentación, o de vapor saturado del calderón (si es del tipo de inyección), o mediante la colocación de este en el tambor inferior (si es del tipo de superficie) antes de la entrada del vapor en el sobre-calentador secundario. En la Fig. 3.19 se muestra un atemperador de inyección que es el más utilizado. Se colocan generalmente entre los sobrecalentadotes o recalentadores primario y secundario. pág. 57 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 6.0.- Condiciones que debe cumplir una Caldera Las condiciones que debe reunir una caldera se resumen en los siguientes requerimientos: 1. Construcción robusta y compensadora de dilataciones. 2. Tambor (Colector) de recogida de impurezas del agua (fangos), con el fin de que estas impurezas no queden sometidas a la acción del fuego. 3. Suficiente capacidad de agua y de vapor de forma que pueda absorber fluctuaciones en la demanda de vapor. 4. Relación superficie de vaporización/capacidad de vaporización adecuada en orden a evitar la formación de espumas. 5. Las juntas de dilatación no deben estar expuestas a la acción del fuego. 6. La cámara de combustión ha de ser tal que la combustión sea completada antes de que los gases pasen a los recuperadores. 7. Disposición de las superficies de transferencia con respecto al flujo de gases tal que se obtengan buenos coeficientes de convección. 8. Facilidad de limpieza de superficies para aumentar la seguridad y la economía. 9. Elasticidad de funcionamiento. 10. Estar provista de los equipos auxiliares necesarios para garantizar la medida, seguridad y control. pág. 58 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE 11. En la operación de las calderas, cualquiera sea su tipo se deberá observar muy cuidadosamente la alimentación de agua. Esto significa que se deberá evitar el uso de agua potable para la alimentación. Se deberá tener una adecuada cantidad de agua destilada, libre de sales, residuos sólidos metálicos u orgánicos, y almacenada en estanques exclusivos para el uso en calderas, ya que esta no podrá ser utilizada para el consumo humano o doméstico. También se deberá contar con un conveniente laboratorio que nos permita monitorear permanentemente la calidad del agua en la caldera y contar con adecuados compuestos químicos que nos permitan corregir desvíos en la calidad de esta. El agua de alimentación de calderas durante su paso por las distintas máquinas y circuitos se exponen a contaminarse con aceite lubricante, grasas, óxidos metálicos, residuos sólidos, etc. que alteraran sin lugar su calidad de destilada, y que significara sin lugar a duda en el caso de contener sales a producir incrustaciones, en otros casos a acidificarse, produciendo peligrosas corrosiones con disminución de espesores en los tubos o colectores. Los colectores de lodo deberán ser purgados periódicamente, al menos una vez por cuarto de guardia tal que se descarguen estos sólidos precipitados. (los aditivos químicos de tratamiento de aguas favorecen estas precipitaciones en sólidos). CAPITULO 2.- 1.-Tratamiento y análisis del Agua para Calderas 1.0.- En el presente capitulo se analiza la importancia que el tratamiento de agua tiene en la vida útil, eficiencia y seguridad en la operación de las calderas industriales; se entregan además recomendaciones para la definición de programas de tratamiento de agua y se explica cómo detectar los problemas más frecuentes. 1.1. Introducción El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es fundamental para asegurar una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia y accidentes. El objetivo principal del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosión e incrustaciones, asegurando la calidad del agua de alimentación y del agua contenida en la caldera. El aseguramiento de la calidad del agua de alimentación y agua de la caldera se consigue cumpliendo con los requerimientos de las normas, que definen los límites recomendados para los parámetros involucrados en el tratamiento del agua. 1.2. Fuentes de Agua Agua primaria es la que no ha recibido ningún tipo de tratamiento y por lo tanto contienen impurezas, adquiridas durante el ciclo al que han sido sometidas, que impiden su uso directo en la alimentación de una Caldera. La fuente de agua corresponde a toda aquella agua que podríamos encontrar en los ríos, lagos, recepción de lluvias, océanos, etc. pág. 59 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE El ciclo del agua, mostrado en la figura N°2.1, indica que la humedad atmosférica resulta de la evaporación de las fuentes de agua, la que luego al condensarse precipita en forma de lluvia, granizo o nieve, absorbiendo gases y otras substancias descargadas por el hombre a la atmósfera. Esta situación es la de que la lluvia contenga una gran cantidad de impurezas antes de entrar en contacto con la tierra. A medida que el agua fluye por sobre la superficie de la tierra o se filtra a través de las capas de ésta, continúa atrapando o disolviendo impurezas del suelo, minerales por los que atraviesa. Así es como el agua aparentemente cristalina, proveniente de lagos, ríos y vertientes, puede tener un elevado contenido de sólidos disueltos. Las impurezas encontradas con mayor frecuencia en las fuentes de agua figuran las siguientes: los sólidos en suspensión, líquidos no mezclables con agua (ej. aceite), colorantes, bacterias y otros microorganismos, sustancias semi-coloidales, gases disueltos, sales minerales disueltas (cationes, aniones y sílice). Fig. 2.1 Ciclo del Agua 1.3. Parámetros Tratamiento de Agua Los principales parámetros involucrados en el tratamiento del agua de una caldera son los siguientes: 􀂉 PH. El pH representa las características ácidas o alcalinas del agua, por lo que su control es esencial para prevenir problemas de corrosión (bajo pH) y depósitos (alto pH). 􀂉 Dureza. La dureza del agua cuantifica principalmente la cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua, los que favorecen la formación de depósitos e incrustaciones difíciles de remover sobre las superficies de transferencia de calor de una caldera. 􀂉 Oxígeno. El oxígeno presente en el agua favorece la corrosión de los componentes metálicos de una caldera. La presión y temperatura aumentan la velocidad con que se produce la corrosión. 􀂉 Hierro y cobre. El hierro y el cobre forman depósitos que deterioran la transferencia de calor. Se pueden utilizar filtros para remover estas sustancias. 􀂉 Dióxido de carbono. El dióxido de carbono, al igual que el oxígeno, favorece la corrosión. Este tipo de corrosión se manifiesta en forma de ranuras y no de tubérculos como pág. 60 UNIVERSIDAD ANDRES BELLO ESCUELA INGENIERIA EN MARINA MERCANTE los resultantes de la corrosión por oxígeno. La corrosión en las líneas de retorno de condensado generalmente es causada por el dióxido de carbono. El CO2 se disuelve en agua (condensado), produciendo ácido carbónico. La corrosión causada por el ácido carbónico ocurrirá bajo el nivel del agua y puede ser identificada por las ranuras o canales que se forman en el metal. 􀂉 Aceite. El aceite favorece la formación de espuma y como consecuencia el arrastre al vapor. 􀂉 Fosfato. El fosfato se utiliza para controlar el pH y dar protección contra la dureza. 􀂉 Sólidos disueltos. Los sólidos disueltos la cantidad de sólidos (impurezas) disueltas en al agua. 􀂉 Sólidos en suspensión. Los sólidos en suspensión representan la cantidad de sólidos (impurezas) presentes en suspensión (no disueltas) en el agua. 􀂉 Secuestrantes de oxígeno. Los secuestrantes de oxígeno corresponden a productos químicos (sulfitos, hidracina, hidroquinona, etc.) utilizados para remover el oxígeno residual del agua. 􀂉 Sílice. La sílice presente en el agua de alimentación puede formar incrustaciones duras (silicatos) o de muy baja conductividad térmica (silicatos de calcio y magnesio). 􀂉 Alcalinidad. Representa la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos y silicatos o fosfatos en el agua. La alcalinidad del agua de alimentación es importante, ya que, representa una fuente potencial de depósitos. 􀂉 Conductividad. La conductividad del agua permite controlar la cantidad de sales (iones) disueltas en el agua. 1.4.-Requerimientos Agua Alimentación y Caldera Sobre la base de las recomendaciones de la Norma Británica BS – 2486, la ABMA (American Boiler Manufacturing Association) y el TÜV, se han preparado las siguientes tablas que muestran los requerimientos que deberá satisfacer el agua de alimentación y el agua de una caldera para prevenir incrustaciones y corrosión en calderas de baja presión (hasta 1,0 MPa (10 Bar)). PARAMETRO VALOR REQUERIDO Dureza total < 2 ppm Contenido de O2 < 8ppb CO2 < 25 mg/l Cont. Total hierro < 0,05 mg/l Cont. Total cobre