Análisis de la operación de una caldera

Se necesita una gran cantidad de energía para convertir agua en vapor, esa energía no se pierde se transporta en el vapor para ser liberada cuando el vapor se convierte de nuevo en agua, la energía se libera como calor. El vapor es un conductor muy eficiente de energía de calefacción es versátil, seguro y completamente estéril.

El uso eficiente del vapor necesita de un control preciso. La caldera es el corazón de todo sistema de vapor para entender a profundidad el comportamiento de una caldera en su interior se hace necesario estudiar algunos conceptos tales como:

1ro.-CONTROL BÁSICO DE LA ALDERA

El concepto básico de funcionamiento de una caldera es muy simple, se hace necesario calentar agua hasta que entre en ebullición y se produce vapor conforme el agua se calienta, esta se evapora y el nivel del agua de la caldera disminuye y hay que suministrar agua para mantenerlo. El nivel del agua puede ser extremadamente sensible a cambios como un aumento en la demanda de vapor.

El primer propósito del sistema de control es mantener los niveles superior e inferior adecuados dentro de los límites superiores e inferiores, si es demasiado alto, el agua puede ser aspirada en conjunto con el  vapor resultando en una calidad pobre del vapor. Si el nivel es demasiado bajo las superficies de calentamiento quedan expuestas y la caldera se sobrecalentara.

El diseño compacto de las calderas modernas indica que esa banda de operación es muy angosta por lo tanto un control de proceso se ha vuelto imprescindible para una operación segura y eficiente.

2do.- LOS NIVELES DE AGUA

Para controlar el nivel de agua en una caldera, debe poder medirse, Que significa el nivel de agua en estas condiciones aun con tazas bajas de generación de vapor cuando las condiciones son de lo más estables hay un movimiento considerable del agua y gran turbulencia. Al hablar de un nivel de agua inmóvil es muy claro a lo que nos referimos. Sin embargo al hervir el agua, las burbujas de vapor empiezan a ocupar un cierto espacio dentro del agua ocasionando un aumento general de nivel aunque la cantidad de agua en si no ha cambiado. Mientras más vigorosa son las burbujas más aumenta el nivel. La superficie está formada por una capa de burbujas que se revientan pero el espesor de esta capa de burbujas puede variar dependiendo de ciertas condiciones. Los cristales del nivel externo deben medir el nivel de agua en ebullición por debajo de la capa de burbujas donde la proporción de agua burbuja sea representativa del interior de la caldera y ese es el nivel que se ve a través del indicador de nivel. Para lograrlo el indicador se conecta al agua de la caldera pero este es un punto libre de turbulencia y burbujas así mismo las sondas de nivel deben ser alojadas dentro de protectores las cuales deben ser precisas y confiables.

3ro.- CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE UNA CALDERA

Para reemplazar el agua que ha sido convertida en vapor se hace necesario suministrar agua de reposición, un método común para lograrlo es conocido como control de nivel ON-OF. Cuando el nivel del agua cae a un cierto punto, la bomba de alimentación arranca y llena la caldera hasta el nivel adecuado y así se repite el ciclo. Es bastante sencillo llevarlo a cabo pero interfiere con el delicado equilibrio al interior de la caldera.

Esto puede ser demostrado de manera eficaz comparándola con un recipiente de agua en ebullición que produce vapor a una taza constante hacia la atmósfera si agregamos agua fría esto produce un efecto dramático suprimiendo inmediatamente la taza de ebullición y por consecuencia la generación de vapor disminuye y la taza solo puede recuperarse hasta que el agua alcance nuevamente su punto de ebullición, esto es una desventaja del control de nivel ON_OF. Los mismos efectos pueden ser vistos en la caldera. Pero dado que dichos efectos ocurren en un periodo de tiempo más largo son menos evidentes. Tan pronto como es encendida la bomba la ebullición es suprimida y el nivel cae. Al apagarse la bomba la ebullición se recupera lentamente y el nivel comienza a subir solo que continua subiendo por encima del nivel OF de la bomba debido a la desaparición de las burbujas. (Cuando la bomba enciende aparece una neblina al interior de la caldera como efecto de la condensación del vapor recién generado provocado por el repentino descenso de la temperatura del agua, inmediatamente la bomba se apaga la neblina desaparece y la temperatura aumenta así por el control ON-OF el nivel del agua sube y baja continuamente y así se comporta la taza de generación. Estos efectos pueden ser reducidos por el precalentamiento del agua de alimentación. Cuanto más alta la temperatura más rápido se recupera la taza de ebullición una temperatura más alta del agua de alimentación también reduce el consumo de secuestradores químicos de oxígeno. Una solución más adecuada es un suministro continuo y variable del agua de reposición precalentada para mantener la caldera en equilibrio. Al suministrar cuidadosamente el caudal de agua de reposición para equilibrar los cambios en la demanda de vapor el nivel es mantenido en una posición óptima con poca fluctuación, esto es conocido como control modulado. El  resultado es un caudal de vapor constante y seguro y una caldera balanceada lista para responder a demandas fluctuantes.

4TO.- OPERACIÓN A BAJA PRESIÓN

Si usted compara para una misma demanda de vapor una caldera trabajando a 8 bar con otra trabajando a 3.5 bar podrás ver que en la operación a baja presión la superficie es mucho más turbulenta salpicando agua hacia el punto de salida del vapor. La razón de esto es que las burbujas de vapor son de mayor tamaño a baja presión y al ser más grande causan más turbulencia conforme se rompen en la superficie, trabajar a baja presión es mucho menos estable y hay más probabilidad de que las gotas de agua contaminen la calidad del vapor cuando el  nivel del agua alcance su punto más alto. Por ello si requiere trabajar a baja presión es preferible operar la caldera a su presión de diseño y colocar una válvula reductora de presión en el punto de aplicación para bajar la presión.

5TO.- AUMENTO DE LA DEMANDA

Aunque las calderas sean trabajadas de manera estable las demandas de vapor reales nunca son estables, varían frecuentemente y una caldera debe ser capaz de responder a estos cambios. Cuando la demanda de vapor aumenta la caldera tarda un poco en responder a la nueva demanda sin embargo durante este periodo de transición la demanda de vapor de la planta supera la cantidad de vapor que la caldera puede producir. El resultado es una caída de presión en el sistema de vapor. Una caída de presión tiene mayor efecto en el interior de la caldera. Es bueno observar cómo reacciona al aumentar temporalmente la demanda de vapor pero dentro de la capacidad máxima de la caldera. La superficie del agua burbujeante empieza a aumentar de manera sorprendente en pocos segundos a niveles tan altos que el agua y la espuma son arrastradas al punto de salida del vapor. Al disminuir la demanda la presión aumenta y el nivel de la superficie se restablece al reanudarse una operación normal, esta respuesta repentina a menudo conocida como dilatación es el resultado de la combinación de dos factores.

  1. Es que las burbujas de vapor dentro del agua de la caldera se expanden al reducirse la presión ocasionando un aumento en el nivel de la superficie
  2. Simultáneamente ocurre que el agua en la superficie se evapora causando mayor turbulencia. Cuando hay una caída de presión se produce vapor flash ejemplo: Si usted tiene un recipiente de agua a alta presión justo por debajo de su punto de ebullición y abre una válvula para bajar la presión parte del agua se convierte en vapor sin aporte de calor. Si se cierra la válvula aumentara la presión y la producción de vapor flash se detendría solo que quedaría menos agua en el recipiente. La formación momentánea de vapor flash es un fenómeno normal cuando la caldera sufre un aumento en la demanda de vapor. Pero es importante darse cuenta que la demanda debe ser aumentada gradualmente porque es precisamente el aumento de la demanda la causante de la inestabilidad de la caldera aun la demanda este dentro de la capacidad de la caldera. Llegando a ocular el volumen

6TO. DEMANDA MUY ALTA

Si la demanda de vapor es aumentada más allá de la capacidad de generación aun por un periodo muy corto esto puede ocasionar problemas de golpe de ariete y nivel bajo de agua en el interior de la caldera y esto puede ocasionar que la alarma de nivel bajo apague la caldera. Para explicar esto fíjese lo que ocurre cuando la demanda de vapor es aumentada suavemente hasta un 15 % por encima de la capacidad máxima, tal como es de esperar, la  caída de presión ocasiona que el nivel de la superficie aumente y las condiciones se vuelven más turbulenta debido a la formación de vapor flash, muy pronto el agua es aspirada hacia la toma de vapor pero esta vez al mantener la sobre demanda el nivel turbulento de burbujas sigue subiendo hasta ocultar el visor y ocasionalmente un arrastre casi continuo. Nada de esto es visible en el nivel externo ya que está mostrando agua casi libre de burbujas mientras que el agua en la parte superior de la caldera consiste principalmente en burbujas de vapor. Los niveles mostrados empiezan a caer conforme el agua se vaporiza continuamente en el intento por satisfacer la demanda excesiva. Eventualmente la primera alarma de bajo nivel es accionada y esto apaga el quemador y el agua llena de burbujas baja rápidamente. En seguida se vuelve evidente cuan poca agua queda en la caldera tan poca que la estructura ha quedado expuesta, esto demuestra la importancia de mantener una caldera operando dentro de sus parámetros y la necesidad de sensores precisos y fiables.

7MO.- CONTROL DE LOS SDT

El agua contiene sales químicas en solución llamados sólidos disueltos, estos no pueden ser transformados en vapor así que al hervir el agua se quedan y forman un residuo. Este proceso sucede continuamente cuando una caldera produce vapor y si no hubiera control la concentración de sólidos disueltos aumentaría a un nivel inaceptable. Las consecuencias podrán ser vistas en la siguiente demostración: Aquí el control de solido disuelto fue desconectado y su nivel aumentó casi al doble del nivel normal de operación. La operación de la caldera de 8 bar es bastante normal y estable con una operación moderada. A primera vista la situación no parece tan mal las burbujas en la superficie del agua tienen un aspecto espumoso y cremoso y la superficie luce más estable de lo normal, esto no es sorprendente ya que los niveles de sólidos disueltos alteran el comportamiento físico de las burbujas estas se vuelven más estables y tardan más tiempo en reventar lo que resulta en espuma lo que no es tan aparente es que el nivel del agua en ebullición real medido por el sensor de nivel no está donde usted se imagina de hecho esta mucho más abajo ya que la capa de burbujas espumosas es sustancialmente más espesa que con los sólidos disueltos normales, esto reduce el espacio efectivo de vapor al interior de la caldera y la deja expuesta al problema de arrastre aun cuando los demás parámetros están dentro de los límites normales de operación esto es sobre todo cierto cuando el nivel del agua alcanza el punto más alto del ciclo de la bomba de agua de alimentación o al reaccionar frene a un aumento de la demanda de vapor . Afortunadamente estos problemas pueden ser fácilmente evitables si se cuenta con un sistema de control de solidos disueltos.

RESUMEN:

A).-Los niveles del agua de una caldera deben ser mantenidos dentro de un rango de operación muy estrecho, demasiado alto puede producir arrastre, demasiado bajo la alarma de nivel bajo de la caldera puede dispararse y apagar el quemador.

Hay muchos factores que pueden afectar este delicado equilibrio aun con cargas moderadas y estables la operación ON-OF de la bomba de alimentación ocasiona la supresión de la taza de ebullición seguida de una dilatación que lleva el nivel por encima del punto de apagado de la bomba. Un aumento de la demanda también puede producir repentinas fluctuaciones en el nivel además si las circunstancias se conjugan, combinaciones de estos efectos pueden producir fluctuaciones aún más grandes. También hemos visto como a altos niveles de solidos disueltos producen una espesa capa de espumas sobre la superficie del agua induciendo arrastres incluso con demanda de vapor mucho más baja de lo normal.

En una caldera con controles automáticos tales como los controles modulantes del agua de alimentación y los sistemas para control de sólidos disueltos estos efectos serán mínimos y la caldera trabajara adecuadamente. La caldera estará lista para responder a las demandas y circunstancias cambiantes del uso industrial a las cuales están expuestas diariamente produciendo vapor de buena calidad al combinar todo esto con La tecnología más avanzada de alarmas de precisión de auto verificación de nivel alto y bajo hará posible operar calderas totalmente en automático y con poca supervisión.

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