ETEC SERVICIOS GENERALES S.A.C.
JR. GRAL. MENDIBURU Nº 275 - INTERIOR 3
MIRAFLORES – LIMA
TELEFAX: 441-0073 CELULAR: 99664-7148
www.calderas.com.pe
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ETEC presenta a continuación una pequeña guía para seleccionar una caldera. Evidentemente, la mejor elección la podrá realizar sólo con la asesoría de un experto. Para mayores informes, escríbanos a etec@calderas.com.pe. Asimismo, puede inscribirse a nuestro boletín para recibir información técnica especializada directamente en su e-mail haciendo click aquí.
Guía para la selección de una Caldera
SELECCIÓN
DE CALDERAS
Seis criterios deben ser considerados al momento de seleccionar una caldera
para cumplir con los requerimientos de la aplicación. Estos criterios
son:
Códigos
y Normas
Existe un número de códigos y normas, leyes y regulaciones que
abordan a las calderas y el equipo asociado que deben ser considerados cuando
se diseña un sistema. Los requerimientos regulatorios son dictados
por varias instituciones y todas ella se enfocan principalmente en la seguridad.
Aquí presentamos algunas reglas claves a considerar:
La industria de la caldera está estrictamente regulada por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME: American Society of Mechanical Engineers) y por los códigos ASME, los cuales gobiernan el diseño, la inspección y el seguro de calidad de las calderas. Los recipientes a presión de las calderas deben presentar el estampado ASME. (Desaereadores, economizadores y otros recipientes a presión también deben estar estampados por ASME).
La compañía aseguradora de la instalación o la caldera puede exigir requerimientos adicionales. Los fabricantes de calderas proveen a sus clientes opciones para satisfacer las exigencias de las compañías aseguradoras. Estas opciones son accesorios o equipo que usualmente pertenecen a controles de seguridad. Algunas industrias como la de alimentos, bebidas o farmacéuticas pueden tener también algunas regulaciones adicionales que tienen un impacto en la caldera y en el cuarto de calderas.
La mayoría de las industrias han establecido un máximo de temperatura a la cual el agua puede ser desechada al alcantarillado. En este caso, se necesitaría un enfriador del agua de purgas. La mayoría de las autoridades, estatales y municipales requieren de un permiso para instalar y/u operar una caldera. Se pueden aplicar restricciones adicionales en zonas donde la calidad del aire no cumple con los estándares de calidad de la nación y por lo tanto, las emisiones contaminantes son más exigentes.
Se puede
requerir de un operador de tiempo completo para la caldera. Los requerimientos
del operador dependen del tamaño de la caldera, presión, superficie
de calentamiento o volumen de agua. Las calderas pueden ser seleccionadas,
lo que minimiza los requerimientos, ya sea porque cumple los requerimientos
y se está exento o por poseer un equipo especial que da al operador
más libertad en las instalaciones.
La mayoría de los estados o provincias requieren de una inspección
anual. Pueden existir otros requerimientos por cumplir debido a la tubería.
Vapor o Agua Caliente
Ahora que se cuenta con una visión general de los tipos de requerimientos
en códigos y normas para calderas, debemos ver la aplicación
que se le va a dar a la caldera con el fin de saber cómo será
utilizada esta caldera. Recuerde que el objetivo principal de una caldera
es suministrar energía para alguna operación en alguna instalación
-calefacción, procesos de manufactura, lavandería, cocinas,
etc. La naturaleza de la operación dictará si se empleará
una caldera de vapor o de agua caliente. El agua caliente comúnmente
se emplea calentado las aplicaciones de calentamiento con la caldera suministrando
agua al sistema a una temperatura entre los 82 y 104 °C (180-220 °F).
La presión de operación para sistemas que emplean agua caliente
es de 2.1 a 8.8 kg/cm² (30-125 psi). Bajo estas condiciones, existe una
amplia variedad de productos para caldera de agua caliente. Si los requerimientos
del sistema para agua caliente son mayores a los 115 °C, deberá
ser considerada una caldera de agua caliente de alta temperatura.
Las calderas de vapor están diseñadas para aplicaciones de baja y alta presión. Las calderas de baja presión están limitadas a 1 kg/cm² (15 psig) y se utilizan comúnmente para aplicaciones de calentamiento. Las calderas de alta presión se utilizan generalmente para cargas de procesos y pueden operar a presiones entre 5.3 y 50 kg/cm² (75-700 psig). La mayoría de los sistemas de las calderas de vapor requieren vapor saturado.
Las calderas de vapor y agua caliente se definen de acuerdo a la presión de diseño y presión de operación. La presión de diseño es la máxima presión utilizada en el diseño de la caldera con el propósito de calcular el mínimo grosor permisible o las características físicas de las partes del recipiente a presión de la caldera. Generalmente, las válvulas de seguridad se colocan en o debajo de la presión de diseño. La presión de operación es la presión de la caldera a la cual opera normalmente opera. La presión de operación comúnmente se mantiene a un nivel adecuado por debajo de las condiciones de presión a las cuales se colocaron la(s) válvula(s) de alivio para prevenir su frecuente apertura durante la operación normal.
Algunas aplicaciones de vapor pueden necesitar vapor sobrecalentado. Debe notarse que el vapor sobrecalentado posee una entalpía alta, de tal manera que tiene más energía por unidad de masa y una mayor calidad de vapor. Un ejemplo de una aplicación donde podría necesitarse vapor sobrecalentado es con una turbina de vapor. Los álabes de la turbina requieren un vapor muy seco debido a que la humedad puede destruirlos. Cuando se requiere de un vapor sobrecalentado o una muy alta presión, debe seleccionarse una caldera industrial de tubos de agua.
Carga
del Sistema
Además de las consideraciones de carga del sistema de esta sección,
se encuentran disponibles muchos y muy buenos manuales de referencia que le
pueden ayudar a definir los detalles y las características de una carga
específica. Para más información, refiérase a
la Guía de Ingeniería de Calderas Tubos de Humo AMBA (ABMA Firetube
Engineering Guide), el manual de ASHRAE (ASHRAE Handbook) o contacte a su
representante autorizado local de Cleaver-Brooks)
La carga del sistema es medida ya sea en unidades de energía (kJ, kcal, Btus, etc.) o en unidades de flujo másico de vapor (kg/hr, tons/hr, lbs/hr, etc.) a una presión y temperatura específicas. En esta sección de la carga del sistema, incluiremos referencias tanto al vapor como al agua caliente. Sin embargo, no todas las situaciones o criterios se aplican a ambos por igual. Sería casi imposible dimensionar y seleccionar una(s) caldera(s) sin conocer los requerimientos de la carga del sistema. El conocimiento de la carga del sistema proporciona la siguiente información:
La determinación de los requerimientos totales de la carga del sistema requiere un entendimiento del tipo de carga en el sistema. Existen 3 tipos de cargas: calentamiento, proceso y combinación.
Carga
de Calefacción
Una carga de calentamiento es generalmente vapor de baja presión o
agua caliente, y es relativamente sencilla de definir ya que no existen grandes
cambios instantáneos de carga. Y, una vez que se calcula la carga de
calefacción, el número puede ser fácilmente interpretado
para conocer los requerimientos de tamaño del equipo. Una carga de
calefacción es utilizada para mantener un edificio a una cierta temperatura
de confort. Las cargas de enfriamiento, usando vapor para alimentar un sistema
de refrigeración por absorción, también se incluye cuando
se calcula la carga de calefacción. Las características de una
carga de calefacción incluyen grandes cambios debido a la temporada,
pero presentan pequeños cambios instantáneos de carga. La caldera
debe ser dimensionada para las peores condiciones climáticas posibles,
lo cual significa que la capacidad máxima raramente se llega a utilizar.
Carga
de Proceso
Una carga de proceso es usualmente alta presión de vapor. Una carga
de proceso pertenece a las operaciones de manufactura o fabricación,
donde el calor del vapor o del agua caliente se utiliza en el proceso. Una
carga de proceso se define tanto como continua o por etapas. En una carga
continua, la demanda se puede considerar constante, como en una carga de calefacción.
La carga por etapas se caracteriza por demandas de corto plazo. La carga por
etapas es un asunto clave cuando se selecciona el equipo, ya que una carga
de proceso por etapas puede tener una demanda instantánea muy grande
que puede ser varias veces superior a la capacidad de la caldera. Por ejemplo,
basado en su tamaño, un serpentín de calefacción puede
consumir una gran cantidad de vapor sencillamente para llenar y presurizar
el interior del serpentín. Cuando se diseña un cuarto de calderas
para una carga de proceso con una demanda instantánea, se debe hacer
una selección cuidadosa de la caldera.
Carga
Combinada
Muchas instalaciones tienen una mezcla de cargas -diferentes tipos de cargas
de proceso y combinaciones de carga de calefacción y de procesos. La
información dada para ambas cargas (calefacción y procesos)
debe ser considerada cuando se esté estudiando una carga combinada.
Definiendo las Variaciones de Carga
Las cargas en un proceso varían y una planta de energía debe
ser capaz de mantener el mínimo, máximo y cualquier tipo de
variaciones de carga. La selección de la caldera generalmente se hace
pensando en la variación de la demanda de carga, en vez del total de
la cantidad de vapor o agua caliente requerida. Existen tres tipos de básicos
de variaciones de carga: temporal, diaria e instantánea.
Variación
temporal
Para un sistema de calefacción, las variaciones por temporada pueden
significar que no exista demanda en el verano, una ligera demanda en otoño
y primavera y una fuerte demanda en invierno. Las operaciones manufactureras
o de fabricación ocasionalmente tienen variaciones, porque la demanda
de producción puede variar. Cuando se seleccione el equipo de la caldera,
la mínima y máxima carga para cada temporada debe ser determinada.
Variación
Diaria
La variación diaria puede ocurrir debido a variaciones en las horas
de trabajo, o en el calor requerido a diferentes horas del día o fines
de semana. Las variaciones de temporada mínima y máxima mencionadas
anteriormente pueden reflejar estos cambios si ocurren diariamente. Si no,
las cargas máximas y mínimas en el día deberán
ser incluidas.
Las variaciones de temporada y diarias definen el tamaño de la carga que la(s) calderas deben soportar. Las variaciones de temporada y diarias también ayuda a definir el número de calderas y los requerimientos de modulación (turndown).
Demanda
Instantánea
La demanda instantánea es un cambio repentino de carga que usualmente
tiene poca duración. Este tipo de cargas algunas veces se ocultan.
Muchas máquinas o procesos se especifican en unidades de flujo másico
de vapor o unidades de energía suministrada o necesaria bajo condiciones
de operación balanceadas, y no se le da importancia a "arranques
en frío", "picos" o "cargas de levante". La
demanda de carga instantánea es importante cuando se selecciona una
caldera, ya que asegura que estas variaciones de carga han sido consideradas
en el proceso de selección. Si la demanda instantánea no se
incluye en los cálculos de la carga del sistema, la(s) caldera(s) y
sus equipos periféricos pueden estar subdimensionados.
Seguimiento
de la carga
El seguimiento de la carga es la capacidad de la caldera para responder a
cambios en la demanda de vapor o agua caliente. Mayormente asociado con las
cargas del proceso, el seguimiento de carga se enfoca en la capacidad de la
caldera para suministrar un volumen constante de vapor a la presión
requerida.
La capacidad
de la caldera para seguir una carga variable depende del tipo de caldera,
la capacidad de modulación del quemador, el control de la válvula
de suministro y el diseño del control de combustible. Si el análisis
de la carga muestra condiciones de carga altamente variables, puede ser necesario
un control más complejo. Este tipo de control se logra con sistemas
de operación sofisticados.
Si la aplicación tiene demandas de carga instantáneas, donde
un gran volumen de vapor se requiere por un período corto de tiempo,
una caldera con una gran reserva de almacenamiento de energía como
lo es una caldera tubos de humo, debe ser considerada. Si la aplicación
indica grandes variaciones de demanda de carga, donde las fluctuaciones de
carga son frecuentes por largos períodos de tiempo, la mejor opción
es probablemente una caldera tubos de agua, porque contiene menos cantidad
de agua y puede responder a esas variaciones con mayor rapidez.
En todos los casos, la operación del quemador debe ser tomada en cuenta
cuando se selecciona una caldera para cumplir con las demandas del sistema.
El quemador requerirá de controles de operación apropiados que
puedan detectar con precisión las variaciones en las demandas y debe
ser capaz de los requerimientos de modulación. La válvula de
suministro de agua y el diseño del control también son críticos
si espera que existan fluctuaciones de carga.
Tipo
de Carga
Los sistemas de calefacción y cargas no críticas que no resulten
en una pérdida repentina de producción generalmente cuentan
con poco o nulo respaldo. Aunque esto no es recomendable, aún se utiliza
en la práctica. Este tipo de aplicaciones confían en la capacidad
para hacer reparaciones rápidamente y reducir así el tiempo
de paro. El riesgo de no contar con respaldo es la pérdida total de
calor cuando la caldera no está en servicio. Cuando las cargas de proceso
o calefacción usan múltiples calderas durante las horas pico
y una caldera durante la mayor parte del tiempo, la disponibilidad de una
caldera adicional debe considerarse para proveer un completo respaldo durante
la demanda máxima.
En aplicaciones con requerimientos de vapor o agua caliente críticos, las leyes o normas pueden dictar un respaldo. Incluso si las leyes o las normas no dictan un respaldo, existen muchos casos donde la operación no puede tolerar el paro. Por ejemplo, un hotel usa agua caliente 24 horas al día, siete días a la semana. Durante períodos de mantenimiento o en una emergencia, se requiere de una caldera de respaldo.
Tiempo
de Paro
Otra forma de determinar cuando una caldera de respaldo es una decisión
acertada es calcular el costo del tiempo de paro, como se muestra en los siguientes
3 ejemplos:
Modulación
de la Caldera
La modulación de la caldera es la relación entre la energía
máxima que suministra la caldera y la energía que entrega cuando
opera en bajo fuego. La modulación típica de una caldera es
de 4:1. Por ejemplo, una caldera de 400 CC con una modulación de 4:1
modulará hasta 100 CC antes de que de que pare. La misma caldera con
una modulación del quemador con una relación de 10:1 modulará
hasta 40 CC.
La capacidad del quemador para modular reduce el ciclo de encendido apagado. Los quemadores completamente modulantes están diseñados para operar hasta un 25% de su capacidad nominal. A una carga que representa el 20% de la capacidad, la caldera se apagará y encenderá frecuentemente.
Una caldera operando en condiciones de baja carga puede encenderse y apagarse tanto como 12 veces por hora o 288 veces al día. Con cada ciclo, el aire de pre y post barrido remueve los gases de la caldera y los envía hacia el exterior por la chimenea. La pérdida de energía puede ser eliminada mediante el funcionamiento de la caldera a bajas velocidades de combustión. Cada vez que la caldera realiza el ciclo, debe realizar toda una secuencia de arranque para garantizar la seguridad en el equipo. Se requieren de uno a dos minutos para poner a la caldera nuevamente en condiciones de operación. Y, si existe una repentina demanda de carga, la secuencia de arranque no puede acelerarse. Para asegurar una respuesta rápida a los cambios de carga es necesario mantener a la caldera en operación. Los frecuentes arranques y paros en una caldera desgastan sus componentes, además de que el mantenimiento se incrementa y, aún más importante, las posibilidades de falla aumentan.
Como se dijo anteriormente, la(s) capacidad(es) de la(s) caldera(s) se determinan por las diferentes tipos de variaciones en la carga del sistema. El sobredimensionamiento de una caldera ocurre cuando la expansión futura y los factores de seguridad se suman para asegurar que la caldera es lo suficientemente grande para una aplicación específica. Si la caldera está sobrada, su capacidad para manejar cargas mínimas sin efectuar el ciclo de paro y arranque se reduce. De tal manera que, la capacidad y la modulación deberán ser consideradas conjuntamente para selección de caldera que cumpla con los requerimientos globales de carga en un sistema.
Fuente: Grupo Condumex