TIPOS, DISEÑO, EVALUACIÓN, CONFIABILIDAD, FACILIDAD DE OPERACIÓN, MANTENIMIENTO, SERVICIO

1) Calderas; Diseño: Existen 2 grandes tipos de diseño en calderas industriales:

Tubos de humo: Donde el agua a ser calentada rodea a los tubos, por donde fluyen los gases de combustión.

Tubos de Agua: Donde el agua a ser calentada fluye dentro de los tubos, que se encuentran rodeados por la flama y los gases de combustión.

El 95% de las calderas de vapor que operan en forma industrial, son del tipo tubos de humo (también llamadas pirotubulares).

La caldera de tubos de humo, que viene siendo el caballo de batalla, en la generación de vapor industrial, tiene sus limitantes en cuanto a capacidades (máximo 1500 C.C. = Caballos Caldera) y a sus presiones de operación (máximo 20 Kg/cm²).

Cuando se requiere de un tamaño mayor, es conveniente, si es posible, dividir la capacidad de caldera requerida, en 2 ó más calderas de tubos de humo, o de plano elegir una caldera de tubos de agua. Cuando se requiera de una presión mayor, será necesario elegir una caldera de tubos de agua.

2) Requerimientos mínimos de calidad de agua requeridos para alimentar una caldera:

En la caldera de tubos de humo, el agua rodea a los tubos de gases de combustión. Una incrustación del lado agua, en los tubos bajará la transferencia de calor y por lo tanto la eficiencia de la caldera, aumentando la temperatura a la salida de los gases de combustión, al igual que en una caldera de tubos de agua.

Sin embargo, este tipo de incrustación, es fácilmente removible (volviendo a su estado original) y no tiene repercusiones fatales, como en una caldera de tubos de agua, que una vez incrustada, disminuirá el flujo de agua requerido dentro de los tubos hasta dañarlos (quemarlos) totalmente.

La caldera de tubos de agua requiere de un tratamiento de agua sumamente preciso, que no puede fallar. Sus requerimientos para una operación confiable son mucho más altos y requieren de un estricto control costoso. La caldera de tubos de agua, requiere de agua deareada a presión, con una eliminación del 100% del oxígeno disuelto, lo cual es totalmente innecesario en una caldera de tubos de humo, que con un sencillo deareador atmosférico, o con un alto contenido de retorno de condensados, elimina la necesidad del mismo.

La caldera de tubos de agua, requiere de un control exacto de sales, mediante purgas de superficie, de preferencia continuas, que bajan considerablemente la eficiencia total de la caldera. La caldera de tubos de humo, normalmente, no requiere de las mismas, por lo que su operación es más sencilla, confiable y económica.

3) Fabricación:

En Norteamérica, las calderas se diseñan, calculan y se fabrican con estricto apego al código ASME, para poder ser estampadas con el sello ASME correspondiente. El código ASME es producto de la recopilación de toda la ingeniería disponible a través de los años de la Sociedad de Ingenieros Mecánicos de Norteamérica, que para proteger a los usuarios, exige requisitos mínimos de diseño, cálculo y fabricación para asegurar al usuario final una larga y segura vida útil de la caldera, así como una operación confiable. Sus requerimientos en material son por mucho, más estrictos, con mayores espesores que los códigos europeos o asiáticos. Por lo anterior, es muy común, que en países ricos, que no fabrican calderas propias, se soliciten calderas estampadas con el sello ASME (Países árabes, africanos, sudamericanos y muchos asiáticos).

4) Superficie de transferencia de calor de 5 pies² por caballo caldera. 

Los usuarios de calderas en Norteamérica (calderas estampadas con el sello ASME) desde principios del siglo pasado, acostumbran exigir al fabricante de calderas, el que tenga siempre como mínimo una superficie de transferencia de calor, en el cuerpo de presión de la caldera, de 5 piés² por cada caballo caldera vendido. De esta forma aseguran, un mínimo de área de transferencia de calor instalada, que les brinde una larga vida útil, seguridad y confiabilidad en su operación a través de los años, en base a una MENOR FATIGA en el material y con una mayor LIBERACIÓN DE FLAMA.

A su vez, este requerimiento mínimo de área de transferencia de calor, ayuda en forma automática a una mejor comparación y evaluación de calderas.

Obviamente, una caldera con una menor área de transferencia de calor, tendrá un costo menor, una fatiga de material mayor, podrá ser eficiente, pero no tendrá la misma larga vida útil y la confiabilidad y seguridad. (Los fabricantes europeos, asiáticos y algunos norteamericanos, con una mano de obra sumamente alta y costosa, no pueden competir en este mercado, si instalan los 5 piés²/HP).

5) Evaluación:

El medio más comúnmente usado para la evaluación correcta de una caldera, a niveles de bufetes de ingeniería de renombre en el medio internacional, se lleva a cabo a través de los coeficientes de fatiga por calor y liberación de flama en el hogar de la flama.

A principios de los años 40s se descubre en Alemania que el porcentaje mayor de absorción de calor en una caldera, se encuentra por medio de la radiación de la flama, en el hogar de la flama. Es exactamente en las paredes del hogar donde se lleva a cabo aproximadamente el 70% de la transferencia de calor de una caldera. (El restante 30% de transferencia de calor se lleva a cabo en la sección convectiva – que no “ve” a la flama -.

La parte medular, en el diseño del cuerpo de presión, es por lo tanto, y sin duda alguna, el hogar de la flama de la caldera. La inmensa cantidad de calor que transferimos en las paredes del hogar, nos obligan a:

Presentar a la flama un área mayor, por lo tanto, un diámetro mayor, que nos permita “aliviar” el esfuerzo de transferencia de calor por cada m² de material o placa de acero resistente al calor, prolongando de esta forma la vida del material y por lo consiguiente la vida útil de la caldera. Como resultado obtendremos una mayor liberación de la flama; una combustión óptima, un reparto uniforme en la absorción de calor, mayor eficiencia y valores de combustión ecológicos.

En lo que respecta a la evaluación y los criterios de diseño de una caldera, se deberán de tomar en cuenta los siguientes puntos relevantes:

Las empresas de ingeniería que se ocupan de la evaluación de una caldera, llevan a cabo su criterio mediante el coeficiente de fatiga y el coeficiente de liberación de flama del hogar de la flama de una caldera.

Las unidades de combustión, también llamadas quemadores que se instalan en las calderas, son de fabricación industrial en serie, ampliamente probadas en un sinnúmero de diferentes fabricantes de calderas. Estas unidades de combustión son de importación, son de tiro forzado y cuando no son fabricadas por el fabricante de la caldera, son sumamente competitivas, de alta eficiencia y en algunos casos ecológicas. Para poder instalar un quemador con tecnología de punta, ecológico y de alta eficiencia, el fabricante del quemador especifica un hogar de diámetro amplio para obtener de esta forma, un coeficiente de liberación de flama óptimo.

6) Coeficiente de fatiga de calor y liberación de flama.

El Método de Evaluación:
Conociendo el área de transferencia de calor (lado fuego) del hogar (en m²) y conociendo el volumen del hogar de la flama (en m³), podemos calcular el coeficiente de fatiga por calor Kcal/hm²) y el coeficiente de liberación de la flama en el hogar (Kcal/hm³).

Entre menores sean éstos coeficientes, menor será la fatiga del material en el tiempo, mayor será el reparto de absorción de calor o transferencia de calor y por ende, mayor será la vida útil de la caldera, mayor será su confiabilidad de operación, mayor será su eficiencia natural, y tendremos mayores posibilidades de obtener emisiones ecológicas a la atmósfera.

7) El método de cálculo del coeficiente de fatiga de calor y liberación de flama.

Debemos calcular la cantidad de calor total que nos brinda el combustible en su flama = Heat input. Conocemos la cantidad de calor neta que obtendremos con nuestra caldera = Heat output, que no es otra, que la capacidad (en H.P. Esto es “Heat output” o Qo = H.P. x 8436 (Kcal/hr.).

Dividiendo el “Heat output” (o calor neto) entre la eficiencia de la caldera al 100% de carga, obtenemos el “Heat input” o Qi en Kcal/hr.

Qi = Qo : Eficiencia donde Qo = H.P. x 8436 (Kcal/hr).

El coeficiente de fatiga de calor (Kcal/hm² es la división del Heat input entre el área de transferencia de calor (lado fuego) de hogar (en m²).

El coeficiente de liberación de flama en el hogar (kcal/hm³) es la división del Heat input entre el volumen del hogar de la flama.

8) Vida útil de la caldera.

Uno de los factores más relevantes en la evaluación para poder seleccionar una caldera, es sin duda y tal vez el más importante, la vida útil esperada de dicha caldera.

La vida útil de una caldera de tubos de humo, diseñada y fabricada con estricto apego al código ASME, de ser posible estampada, con un área de transferencia de calor de 5 piés²/C.C. y con coeficientes aceptables de fatiga y liberación de flama, sin la necesidad de un estricto y costoso tratamiento de agua, llega a ser fácilmente de hasta 20 años.

En lo que respecta a la caldera de tubos de agua, se puede afirmar que una caldera de tubos de agua, de dos domos con circulación natural, que cuente con un amplio hogar, fabricada con estricto apego al código ASME, de ser posible estampada, con un área de transferencia de 5 piés²/C.C. y con aceptables coeficientes de fatiga y liberación de flama pero con la necesidad estricta, de un muy buen tratamiento de aguas costoso, llega a ser fácilmente de hasta 20 años.

Obviamente calderas fabricadas con un área menor a los 5 piés²/C.C., tienen una vida útil esperada mucho menor. Calderas de tubos de agua del tipo serpentín, que no cuentan con área de 5 piés²/C.C., con un hogar restringido o calderas de tubos de agua sin hogar de flama, donde la flama choca directamente contra los tubos para agua, aumentando su fatiga de material en forma exponencial, tienen una vida sumamente limitada, que normalmente empieza a dar problemas a partir del tercer año y requieren de costosas reparaciones como cambios de serpentín o cambios de tubos expuestos directamente a la flama, sumamente costosos a partir de su tercer año de operación.
 
9) Facilidad de operación, mantenimiento y servicio.

Sin duda alguna, una evaluación correcta de una caldera, debe considerar la facilidad de operación, mantenimiento y servicio de la caldera.

En primer lugar en cuanto a su diseño, sus accesos de servicio y cambio de tubos.

Los tubos de las calderas, están propensos a desgaste, corrosión y por lo tanto a cambios a lo largo de la vida útil de una caldera. El espesor de las paredes de los mismos es relevante. Sin embargo, la facilidad del cambio de uno o más tubos nos brinda un costo futuro a ser evaluado cuidadosamente.

Indudablemente el cambio de tubos de una caldera de tubos de agua, es mucho más complicado y costoso que el cambio de tubos de una caldera de tubos de humo.

La geometría de los mismos juega un papel importante. No es lo mismo cambiar un tubo recto, que un tubo con curvas o dobleces. (La caldera de tubos de humo utiliza únicamente tubos rectos). Adicionalmente, se deberá tomar en cuenta el diseño de la caldera, sobre todo de los llamados generadores de vapor, tipo serpentín, con flujo forzado, de tubos de agua, donde el cambio obligado del mismo, equivale al 70 u 80% del costo total de la caldera.

De la misma forma, es conveniente evaluar los costos de mantenimiento requeridos por cada caldera, así como los costos de sus servicios. La capacidad y calidad de la capacitación y atención por parte de los departamentos de servicio locales, para carburaciones, cambio de piezas por personal capacitado, limpiezas, ajustes a la unidad de combustión, control de calidad del agua, stock de refacciones y piezas y partes de consumo, etc.

10) Seguridad.

En cuanto a explosiones podemos mencionar que una caldera de tubos de humo equipada con las compuertas de alivio de gases de combustión a la salida del segundo paso, alivia cualquier tipo de explosión y por lo tanto cualquier tipo de accidente potencial.

Las calderas Powermaster de tubos de humo, debido a que vienen equipadas siempre con las compuertas de alivio de sobre presión de gases de combustión, no han sufrido ni un solo accidente desde 1949. Esto se debe a que cualquier posible explosión dentro del hogar de la caldera, es expulsada a través de las compuertas de alivio, eliminando de esta forma al igual que en las calderas de tubos de agua de 1 ó 2 pasos o calderas de tubos de humo de dos pasos, cualquier tipo de accidente potencial.