Powermaster

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Diseño y Evaluación

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Tipos de Caldera

Existen 2 grandes tipos de diseño en calderas industriales:

• Tubos de Humo: Donde el agua al 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.

La gran mayoría de las calderas de vapor que operan en forma industrial, son del tipo tubos de humo (también llamadas pirotubulares o tubos de fuego).

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 21 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. De no ser posible, es preferible elegir una caldera de tubos de agua. Cuando se requiera de una presión mayor, será necesario elegir una caldera de tubos de agua.

Las calderas Powermaster se diseñan para ser las calderas más seguras en el mercado. Desde los espesores de los materiales, hasta los controles y dispositivos de seguridad, Powermaster siempre excede los requisitos de las normas para garantizar que la caldera sea la más segura del mercado:

• Los espesores de los tubos flux se seleccionan del calibre 11, lo cual es 100% mayor al requisito del ASME.
• Los espesores de los espejos de las calderas horizontales de 80-1500 HP se seleccionan para tener siempre un 30% de exceso de material sobre el requisito del ASME.
• La cantidad de controles siempre excede el mínimo requerido de tal manera que siempre habrá un control redundante para controlar el nivel de agua o la presión de trabajo.
• Los dispositivos de seguridad siempre exceden el mínimo requerido, de tal manera que las calderas horizontales cuentan con compuertas de alivio de gases de combustión a la salida del segundo paso. Ésto alivia cualquier tipo de explosión y por lo tanto cualquier tipo de accidente potencial.

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.

De esta manera, se le garantiza 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 y con mayores espesores que los códigos europeos o asiáticos. Por lo anterior, es muy común en países con mayor desarrollo económico, que no fabrican calderas propias, se soliciten calderas estampadas con el sello ASME (Países árabes, africanos, sudamericanos y asiáticos entre otros).

Las primeras calderas de tubos de humo que se fabricaron a principios del siglo 19, utilizaban cantidades muy grandes de refractario, quemaban carbón y realizaban la transferencia de calor de una manera poco eficiente. Como resultado de esto, se requerían superficies de transferencia de calor de 10 pies² por BHP para poder cumplir con la generación de vapor requerida. En la década de los 1960´s, los fabricantes de calderas de tubos de humo habían mejorado mucho sus diseños y tecnologías. Se quemaban normalmente combustibles líquidos o gaseosos que permitían tener una mayor transferencia de calor y menores emisiones a la atmósfera. El criterio del diseño de estas calderas evolucionó, requiriendo únicamente superficies de transferencia de calor de 5 pies² por BHP para obtener calderas confiables y de buena eficiencia, pero se fabricaban calderas de tubos de humo de máximo 700 BHP. Con los avances tecnológicos del siglo 20 y el desarrollo de la ingeniería, experiencia y técnicas computarizadas, el criterio de diseño de calderas de tubos de humo ha seguido evolucionando. Hoy en día la mayoría de los fabricantes en el mundo, logran diseñar calderas de más potencia utilizando menos superficie de transferencia de calor en ocasiones tan bajas como 3 pies² por BHP, manteniendo los estándares de confiabilidad y seguridad.

Los criterios que gobiernan en el diseño en la fabricación de calderas de tubos de humo actualmente, no norman los 5 pies²/BHP, dándole mayor interés en la fabricación de este tipo de calderas a:

• Eficiencia de operación.
• Bajos niveles de emisiones contaminantes.
• Cumplimiento con los códigos de fabricación (ASME para Norteamérica).
• Cumplimiento con los requerimientos del National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors.
• Facilidad de mantenimiento.
• Larga vida útil y confiabilidad.


Calderas Powermaster, bajo el liderazgo del Ing. Herman B.E. Notholt, ha desarrollado sus diseños de calderas con el avance de las tecnologías mientras mantiene los más altos estándares de seguridad y confiabilidad para sus clientes. Todas sus calderas de las series SWB, WB-A2-3P y WB-A2-4P, cuentan con una superficie de transferencia de calor de 5 piés² por BHP hasta 600 BHP. En capacidades mayores, el exceso de superficie de transferencia de calor resulta en un deterioro de la eficiencia y rendimiento de la caldera, por lo que de 700 BHP en adelante se reduce gradualmente la superficie de transferencia de calor para mantener las eficiencias garantizadas más altas del mercado.

Todos los diseños de Calderas Powermaster garantizan una larga vida útil, seguridad y confiabilidad en su operación, pero prestan especial atención y énfasis a la eficiencia.

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 reducirá 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 si es realizado correctamente, no tiene repercusiones fatales.

En una caldera de tubos de agua una incrustación del lado agua en los tubos disminuirá el flujo de agua requerido dentro de los mismos 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 y costoso control. La caldera de tubos de agua requiere de agua deareada a presión con una eliminación del 100% del oxígeno disuelto. Esto 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.

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 pies²/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 pies²/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 pies²/C.C., tienen una vida útil esperada mucho menor. Calderas de tubos de agua del tipo serpentín que no cuentan con área de 5 pies²/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. Normalmente empiezan a dar problemas a partir del tercer año de operación y requieren de costosas reparaciones como cambios de serpentín o cambios de tubos expuestos directamente a la 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 estos 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 también su confiabilidad de operación al igual que su eficiencia natural y tendremos mayores posibilidades de obtener emisiones ecológicas a la atmósfera.