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GENERADORES DE VAPORPRINCIPIOS BASICOS SOBRE GENERADORES DEVAPOR
CONCEPTOS GENERALES.- Las máquinas térmicas transforman laenergía en la siguiente frecuencia de flujo.
E . Q uím ica
E . Térm ica E. M ecánica
La Energía Química: Es aquella que libera el combustible(diesel, gas) al ser quemado en el hogar de la caldera y laconvierte en Energía Térmica.
La energía térmica es aquella que se transfiere al aguapara generar vapor.
La transferencia de energía de un cuerpo a otro pordiferencia de temperaturas es lo que se conoce como"Calor".
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C alderaH ogar
E nergía T érm ica(V apor)
E nergía Q uím ica(C om b ustib le)
E nergía M ecánica
Turbina devap or
E nergíaE léctrica
G enerador
FIG 1. Conversión de energía
CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS SEGÚN SU FORMA DE COMBUSTION
Las máquinas térmicas necesitan en general una fuente degeneración de calor y esta fuente la constituye lacombustión.Según la forma como se realiza la combustión las máquinastérmicas se clasifican en:
- Máquinas de Combustión Interna- Máquinas de Combustión Externa
Las de combustión interna son aquellas en cuyo interior seproduce la combustión de una manera directa (energíaquímica a energía mecánica). A este grupo pertenecen:
- Motores diesel, motores de gasolina y turbinas de gas
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En las máquinas de combustión externa no se produce unaconversión directa de energía. A este grupo pertenecen lassiguientes:
- Calderas, Máquinas alternativas, y Turbinas de vapor.
IMPORTANCIA DE LAS APLICACIONES DE VAPOR
De las innumerables aplicaciones que tiene el vapor, éstosse pueden resumir en dos grupos; a saber:
- Generación de Poder, y- En Procesos Industriales
De la primera aplicación, por ejemplo, el vapor es obtenidoen grandes calderas y destinado a mover turbinas, lascuales a la vez mueven un generador, el que proporcionaenergía eléctrica, el vapor así utilizado es vaporrecalentado.
Mientras que el vapor en procesos industriales tieneaplicaciones diversificadas, tales como para calefacción,para secar pasta de papel, cocinar alimentos, esterilizado,calentamiento de agua, etc., el vapor utilizado en estosprocesos es vapor saturado.
CONCEPTOS TERMODINAMICOS SOBRE GENERACIÓN DE VAPOR
Energía: La energía está directamente relacionada con lamateria. La energía se presenta en muchas formas,relacionándose entre sí por el hecho de que se puede hacerla conversión de una forma de energía a otra.
Vaporización: Es el cambio de un cuerpo de la fase líquidaa la fase de vapor a la misma temperatura.
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Evaporación: Es la vaporización de un líquido que tienelugar exclusivamente en la superficie libre del líquido.Ejemplo: la evaporación del agua en el mar. La evaporaciónpuede tener lugar a cualquier temperatura del líquido.
Ebullición: Es la vaporización de un líquido que tienelugar en el seno mismo del líquido. La ebullición de unlíquido tiene lugar a una temperatura, cuyo valor dependede la presión a que está el líquido, mientras mayor sea lapresión mayor será la temperatura.
Condensación: Es el cambio de la fase de vapor a líquido ala misma temperatura.
Temperatura: de un cuerpo, es su estado térmico consideradocomo referencia a su poder de comunicar calor a otroscuerpos.
Combustión: desprendimiento: sensible de luz y calor, deloxígeno del aire con el carbono, hidrógeno y azufre, queconstituyen los elementos activos de los combustiblessólidos, líquidos y gaseosos.
BTU: (British Thermal Unity) es una unidad de medida usadaen el sistema inglés y por definición es: " La cantidad decalor que se necesita añadir o extraer a una libra de agua,para aumentar o disminuir su temperatura en 1 F".
Kilocaloría: Es una unidad de medida usada en el sistemaMKS y por definición es: "La cantidad de calor que senecesita añadir o extraer a un kilo de agua, para aumentaro disminuir su temperatura en 1 C".
CALOR
El calor es energía en transición (movimiento) de un cuerpoó sistema a otro, solamente debido a una diferencia de
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temperatura entre los cuerpos o sistemas. Tres tipos decalor se encuentran presentes en el proceso y éstos son:
- Calor Sensible- Calor Latente; y- Calor Total
Calor Sensible: Se entiende por sensible, el calor queproduce una elevación de temperatura en un cuerpo, sin quese realice un cambio de fase o de estado.
Calor Latente: Se entiende por calor latente la cantidadde calor que produce un cambio de estado (o fase) en uncuerpo a una temperatura constante, o sea sin que haya enese momento variación de temperatura.
Calor Total: Es la suma del calor sensible más el calorlatente.
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CALDERA
Llevar el calor desde el hogar donde se quema elcombustible, hasta el agua que se encuentra dentro de lacaldera presenta el problema de la transferencia de calor.El calor puede transferirse de un punto a otro por tresmétodos distintos: radiación, convección y conducción.
Radiación: Es el fenómeno de transferir el calor en formade ondas similares a las ondas de la radio y de la luz. Asícomo la luz, éstas ondas pasan libremente por el aire yotras materias transparentes sin efecto aparente en ellas;algunas superficies reflejan las ondas de calor igual quereflejan luz
Las llamas del combustible ardiendo dentro del hogar radiacalor en todas las direcciones. Un gran porcentaje de estecalor radiante pasa directamente de la llama a lasuperficie de calefacción de la caldera (plancha o tubometálico), donde es absorbido.
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Una parte de este calor radiante llega a los tubos porhaberse refractado en los ladrillos que forman el hogar.Estos ladrillos son hechos de un material resistente alfuego, el cual refracta una gran parte del calor radianteque recibe.
Convección: Es la transferencia de calor por circulacióndentro de un fluido cuando parte de éste se calienta. Laparte caliente se expande y queda más liviana que el restodel fluido.
Como resultado la parte más pesada o sea, la que no se hacalentado se hunde, y la caliente se levanta produciéndoseasí una circulación contínua.
Conducción: Se efectúa cuando se transmite energía porcontacto directo entre las moléculas de dos o más cuerposque se encuentran en buen contacto térmico entre sí; o seaque las moléculas calentadas comunican su energía a lasotras que se encuentran inmediatamente adyacentes a ellas.
En general, los sólidos conducen calor mejor que loslíquidos y los líquidos mejor que los gases. Esto seexplica debido a la diferencia de estructura molecular,puesto que las moléculas de un gas al encontrarse muyseparadas, la transferencia de calor de molécula a moléculase torna más difícil.
Tenemos muchos ejemplos de conducción de calor en laoperación de una planta a vapor y entre ellos tenemos elcalor de los gases (producto de la combustión) dentro delhogar que llega hasta el agua dentro de la caldera porconducción a través de las paredes metálicas de la calderay finalmente calienta el agua que está en contacto con elinterior de estas paredes.
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En ningún sistema de producción de calor se puede decir quela transferencia de calor se efectúa por un método enparticular, más bien que se efectúa por una combinación delos tres, predominando alguno de ellos de acuerdo al tipo onaturaleza de la aplicación.
PRESION DEL VAPOR
El aire que nos rodea (la atmósfera) ejerce una presión entodas las direcciones, sobre todas las superficies de loscuerpos; esta presión es la que se conoce como "PresiónAtmosférica".
La presión atmosférica puede ser expresada en diferentesunidades de medida y entre ellas existe una equivalenciapara efectos de conversión de unidades; así tenemos que:
1 atmósfera = 760 mm Hg. = 1.033 Kg/cm = 14.7 lbs/plg =1.013 Bar
Si se tiene un recipiente con agua al cual se le añadecalor a medida que éste se incrementa se empezará aproducir vapor.
En estas condiciones el vapor está a presión atmosférica.La temperatura del vapor a presión atmosférica, es por lotanto la misma que la del agua hirviendo a la presiónatmosférica, o sea 100C.
Ahora, volviendo al caso de la caldera, por ser ésta unrecipiente cerrado, cuanto más vapor se genera dentro deeste recipiente, más espacio necesita, por lo tanto debecomprimirse. Por este motivo, el vapor se expande en todaslas direcciones y ejerce presión sobre todo lo que lorodea. Así, además de ejercer presión sobre las paredes dela caldera, el vapor ejerce la misma presión sobre lasuperficie del agua.
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Cuando aumenta la presión sobre la superficie del agua,aumenta al mismo tiempo, la temperatura necesaria para queel agua hierva.
Mientras que a la presión atmosférica el agua hierve cuandoalcanza la temperatura de 100C, en cambio si la presiónaumenta a 8 Kg/cm, el punto de ebullición del agua seeleva a 170C.
Ahora, aclarando algunos conceptos sobre presión se tienelo siguiente:
Presión: Es la fuerza por unidad de área (o superficie)que se ejerce sobre un cuerpo.
Presión Manométrica: Es la presión que se mide en unmanómetro
Presión Absoluta: Es la suma de la presión atmosférica másla presión manométrica.Ejemplo: El manómetro de la caldera en el colector de vapornos indica una lectura de 7 Kg/ cm y sabemos que lapresión atmosférica es 1.03 Kg/ cm, entonces la presiónabsoluta (Pa) será:Pa = Pm + Po = 7 + 1.03 = 8.03 Kg/ cm Pm = PresiónManométrica Po = Presión atmosférica
VAPOR SATURADO Y VAPOR RECALENTADO
El vapor en las calderas se mantiene a la misma temperaturaque el agua hirviendo en ellas, este vapor contiene unapequeña cantidad de humedad y se llama vapor saturado.
La humedad del vapor saturado consiste en pequeñísimasgotitas de agua suspendidas en el vapor. Este vaporsaturado es el que usan la mayor parte de las calderas
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industriales que existen en nuestro país; puesto que esusado principalmente como medio de calentamiento.
Sin embargo, el vapor saturado no es el más apropiado parael uso de las turbinas de vapor, como aquellas que usaba laEmpresa Eléctrica del Ecuador; pues las partículas de aguasuspendidas en el vapor gastarían las paletas de lasturbinas.
Además, la condensación del vapor en tuberías, y turbinasdisminuye la presión y rebaja el poder.
Estas dificultades se vencen pasando el vapor saturado porun recalentador, así el vapor se recalienta eliminando susgotitas de agua y volviéndose completamente libre dehumedad. A éste vapor se lo conoce con el nombre de vaporrecalentado o sobrecalentado
SUPERFICIE DE CALEFACCION
Se entiende por superficie de calefacción, la superficiede metal que está en contacto simultáneamente con los gasesde combustión y con el lado de agua o vapor; es decir, estoda superficie de una caldera que está en contacto por unlado con el agua y por otro con los gases de combustión.Las unidades de medida utilizadas para establecer lasuperficie de calefacción son ya sea el m o el pie.
En las calderas de tubos de fuego (pirotubulares)generalmente se toma esta medida del lado de los gases y enlas calderas de tubos de agua (acuotubulares) por el ladode agua.
POTENCIA CALORIFICA
La potencia de una caldera se entiende por, la producciónde 15.65 Kg/h (34.5 lb/h) de vapor saturado a 100° C (212°
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F) utilizando agua de alimentación a la misma temperatura.La unidad de equivalencia es BHP (Caballos Caldera).1BHP= 33472 Btu/h = 1399.5 piesE.DR.* =9.803 Kw.
El término caballo caldera es una denominación antigua,pero que todavía se aplica para especificar la capacidadde calderas pequeñas (compactas), teniendo su origen en elhecho que una caldera al alimentar una máquina de vaporalternativa, ésta desarrollaba aproximadamente 1 BHP porcada 10 pies (1m) de superficie de calefacción de lacaldera.
PRODUCCION DE VAPOR
Se entiende por producción de Vapor la cantidad de Kg/h ode lbs/h de vapor equivalente producido por una caldera.En las calderas grandes generalmente, se usa estadenominación para expresar su capacidad de generación devapor.
Estas capacidades son convertibles entre sí, tomando encuenta la definición de caballo caldera.
Con la finalidad de manejar diferentes unidades en equiposgeneradores de vapor, se exponen tablas sobre equivalenciade presiones, y propiedades termodinámicas del vapor deagua.
TABLA 1: EQUIVALENCIA DE PRESIONES
BARS Kg/cm2 Lbs/pul2
Atmósf.
Colum-nas Hg Metros
Colum-nas HgPulgadas
Colum-nasH20
Metros
Colum-nasH20
Pulgada
10
1 1.0197 14.50 0.9869 0.7501 29.53 10.21 401.8
0.9807 1 14.22 0.9678 0.7356 28.96 10.01 394.1
0.06895
0.07031
1 0.06805
0.05171
2.036 0.7037 27.70
1.0133 1.0332 14.70 1 0.76 29.92 10.34 407.1
1.3332 1.3595 19.34 1.316 1 39.37 13.61 535.7
0.03386
0.03453
0.4912 0.03342
0.02540
1 0.3456 13.61
0.09798
0.09991
1.421 0.09670
0.07349
2.893 1 39.37
0.00248
0.002538
0.03609
0.002456
0.001867
0.07349
0.02540
1
0.02986
0.03045
0.4331 0.02947
0.02240
0.8819 0.3048 12
TABLA 2. PROPIEDADES TERMODINAMICAS DEL VAPOR DE AGUASISTEMA METRICO
Presión Temperatura EntalpíaLíquidosatur.
EntalpíaVaporsatura.
Calor deEvaporac.
Kg/cm2 C Kcal/Kg. Kcal/Kg. Kcal/Kg.
0.10 45.45 45.45 617.0 571.60.20 59.67 59.65 623.1 563.40.30 68.68 68.66 626.8 558.10.40 75.42 75.41 629.5 554.10.50 80.80 80.85 631.6 550.70.60 85.45 85.47 633.5 548.00.70 89.45 89.49 635.1 545.60.80 92.99 93.05 636.4 543.30.9 96.18 96.26 637.6 541.31.0 99.09 99.19 638.8 539.6
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1.2 104.25 104.38 640.7 536.31.4 108.74 108.92 642.3 533.41.6 112.73 112.95 643.8 530.81.8 116.33 116.60 645.1 528.52.0 119.62 119.24 646.3 526.42.5 125.79 127.20 648.7 521.53.0 132.88 133.40 650.7 517.33.5 138.19 138.90 652.4 513.54.0 142.92 143.70 654.9 510.24.5 147.20 148.10 655.2 507.15.0 151.11 152.10 656.3 504.25.6 155.41 156.60 657.5 500.96.0 158.08 159.30 658.3 498.96.6 161.82 163.20 659.3 496.17.0 164.17 165.70 659.9 494.27.6 167.51 169.20 660.7 491.58.0 169.61 171.40 661.2 489.88.6 172.61 174.50 661.9 487.49.0 174.53 176.50 662.3 485.89.6 177.28 179.40 662.9 483.510.0 179.04 181.30 663.3 482.110.5 181.16 183.50 663.7 480.211.0 183.20 185.70 664.1 478.4
CLASIFICACION DE LAS CALDERAS
CLASIFICACION GENERAL
Al hacer la clasificación de las calderas, se trata deestablecer las principales características distintivas delos diversos tipos de instalaciones que se necesitan paraobtener vapor. Sin embargo, es necesario aclarar que alseñalar a una caldera en una clasificación determinada,como por ejemplo, sea del tipo acuatubular, esto no implicade que no pueda estar identificada con otra u otrasclasificaciones, siguiendo con el mismo ejemplo, esta
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caldera también se la podría señalar como: con tubos, detubos rectos, de tres pasos, de circulación forzada, dealta presión, de energía química, de búnker, etc.
De esta forma, se podría establecer la clasificación de lacaldera bajo las siguientes bases:_ por la energía consumida_ por la disponibilidad de los tubos_ por la situación relativa de los espacios decombustión y agua_ por los métodos de circulación de agua_ por la presión de trabajo_ por el número de pasos o retornos_ por la disposición de los tubos_ por la posición de las calderas
POR LA ENERGIA CONSUMIDA
De acuerdo a esta clasificación, se tiene:
- Energía Eléctrica, (calderas eléctricas)- Energía Química.
Por energía química se entiende al combustible (comoelemento químico) que quemaría una caldera para generarvapor y según el tipo de combustible, la clasificaciónsería la siguiente:
_ Bunker_ Diesel 2
TIPOS DE _ Diesel 1 COMBUSTIBLE _ Gas Natural
_ Bagazo de caña de azúcar
POR LA DISPONIBILIDAD DE LOS TUBOS
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En esta clasificación se encuentran las calderas:
_ sin tubos, y_ con tubos
Las Calderas sin tubos, llamadas así, porque para sufuncionamiento no llevan tubos en su construcción.
Esta innovación en la construcción de calderas presentamuchas ventajas en su rendimiento, durabilidad y operacióneconómica, además que es completamente automática, se laencuentra en modelos que van de 1.2 a 80 HP. Según sea elrequerimiento del usuario. Existen actualmente lascalderas sin tubo fabricadas por marcas reconocidas comoYork Shipley y la propia marca Fulton. Las Calderas con Tubos, corresponden a las que encontramosnormalmente en la industria, y que se verán en todos lostipos de calderas que se describan en las demásclasificaciones.
Clasificación de las calderas por lasituación relativa de los espacios decombustión y aguaEsta clasificación podría también mencionarse, con relacióna los pasos de flujo de los gases de combustión del agua ydel vapor, desde este punto de vista se dividen en dostipos generales:
_ Tipo Cabezal_ Calderas de tubos de Agua _ TresColectores
(Acuatubulares) _ Dos Colectores
_ Calderas de Tubos de Fuego (o de humo)(Pirotubulares)
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La principal diferencia entre estos tres tipos de calderasde tubos de agua es:
A) El número y colocación de los colectores y tubos quecontienen el agua y vapor;
B) El tamaño de los tubos; yC) Su ángulo de inclinación con respecto a la horizontal.
Clasificación según el tipo decirculación de agua
Las calderas de tubos de agua se clasifican según losmétodos de circulación del agua contenida, de la siguientemanera:_ Circulación Natural (limitada)_ Circulación ForzadaLa designación Circulación Natural se aplica a todas lascalderas en las cuales la circulación del agua a través delos circuitos de la caldera, depende únicamente de ladiferencia de densidades entre un cuerpo que desciende quees el agua relativamente fría, y de otro cuerpo queasciende que es el agua caliente, que contiene burbujas devapor. La cantidad de agua de alimentación suministrada essiempre igual a la cantidad de vapor generado.
La Circulación Forzada, son efectuadas por medio de bombasexternas a las calderas, que mantienen un flujo continuo deagua a través de los circuitos de la caldera. En la calderade circulación forzada, mayor cantidad de agua es bombeadaa través de los circuitos que la que se transforma envapor. En una caldera de circulación forzada (de un solopaso), la cantidad de agua de alimentación bombeada dentrode los circuitos es la misma que la cantidad de vaporextraída.
Clasificación por la presión de trabajo
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Según la presión de trabajo las calderas se clasifican en:
_ Calderas de alta presión_ Calderas de baja presión
Las calderas de Alta Presión son generalmente usadas cuandolas demandas de vapor son extremadamente grandes ysobretodo cuando hay requerimiento indispensable de vaporrecalentado; estas calderas generalmente son del tipo detubos de agua (acuatubulareres) y operan a presionessuperiores a 20 Kg/cm2; o sea superiores a 284,4 lbs/plg2.Su uso principal es en plantas eléctricas que operan conturbinas a vapor.
Las calderas de baja presión son en cambio las más usadasen el campo industrial y generalmente operan con vaporsaturado a presiones del orden de 7-8 Kg/cm2, cierto númerollega a los 10 Kg/cm2 y unas pocas a 18 Kg/cm2, pero sinsobrepasar este último valor. En este grupo de calderas seencuentran generalmente las calderas de tubos de fuego(Pirotubulares).
Clasificación de las calderas según elnumero de pasos
Se entiende por pasos en una caldera,la pasada de gasproveniente del hogar hacia el sitio alrededor de los tubosde agua, (calderas Acuatubulares) o la pasada de gas através de los tubos de fuego en cada cambio de dirección deflujo (calderas Pirotubulares). De acuerdo con estecriterio, las calderas se clasifican en:
_ Un paso_ Dos pasos_ Tres pasos_ Cuatro pasos
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Las calderas industriales de amplia aceptación en laactualidad, para producción de vapor saturado con presiónde hasta 18Kg/cm2, son calderas de tres y cuatro pasos.
En el caso de las calderas sin tubos, se entiende que pasosería la circulación de los gases a través delas nervaduras con cambio de dirección de flujo.
En el caso de las calderas de tres pasos, se obtiene el 60%de eficiencia en el hogar con cada uno de los pasosrestantes contando el 20% este tipo de calderas tienen elhogar centrado, lo cual implica la eliminación del cienoentre el hogar y el fondo de la carcasa, además del hechode ser todos los tubos de igual tamaños proporciona igualtensión y presión en los espejos.
Mientras que en el caso de las calderas de cuatro pasos, seobtiene el 40% de eficiencia en los tubos del hogar y el60% restante es obtenido en los otros pasos. Es imperativoque los gases de combustión del cuarto paso sean detenidossobre el punto en que tiene lugar la formación del rocío, ouna seria condensación ocurrirá en los tubos, recámara o enlos espejos, dando por resultado una severa corrosión.Este tipo de calderas tiene el hogar más pequeño, respectodel citado anteriormente; además, el hogar es colocado enforma descentrada.
Por la disposición de los tubos
A las calderas también se las puede clasificar por ladisposición de los tubos, así:
_ de tubos rectos_ de tubos inclinados, y_ de tubos curvos
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Por la posición de las calderas
En este aspecto podríamos incluir solamente a las calderasPirotubulares , las cuales se clasificarían según suposición en el piso sobre el cual van montadas en:
_ verticales_ horizontales
Otras clasificaciones de calderas
Otra forma de clasificación de las calderas, es convenientehacer de acuerdo a la evolución técnica de la construcciónde las mismas.
Históricamente hablando, se conoce que de acuerdo a suconstrucción original, las calderas eran recipientescilíndricos que contenían el agua a vaporizar con hogarexterno, luego tratando de reducir las pérdidas que seproducían se les construyó con hogar interior,posteriormente para un mayor aprovechamiento del calorproducido, el agua se hacía pasar por los conductos dehumo. Cuando la presión y la temperatura resultaroninsuficientes, se recurrió a la construcción de lasllamadas calderas Acuatubulares, que en principio hacían lacirculación del agua en forma natural, también llamadatermosifón.
Luego, a fin de obtener valores mayores de presión ytemperatura se procedió a construir calderas de circulaciónforzada; en esta evolución de la técnica se llega a lascalderas de radiación y de alta presión
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GENERALIDADES SOBRE LAS CALDERAS DETUBOS DE FUEGO
Estas calderas también son conocidas como "calderaspitotubulares" o como calderas de tubos de humo.
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Su nombre deriva del hecho que en calderas de este tipotodo el trabajo o la mayor parte del mismo es realizado porla transferencia de calor desde los productos decombustible caliente, los cuales fluyen por el interior delos tubos, mientras que el agua se encuentra rodeando adichos tubos.
En estas calderas el agua y el vapor se encuentrancontenidos en una simple carcasa o envolvente, incluyendolos elementos para producir vapor. Aunque la forma idealpara resistir presiones internas es una esfera, sinembargo, por consideraciones prácticas se ha optado porconstruirlas básicamente en carcasas cilíndricas. Seccionesno cilíndricas y ciertas superficies planas han sidoañadidas con el fin de proporcionar resistencia a presionesinternas por varios medios tales como: tirantes diagonales,pernos contínuos o tubos tirantes.
Estas calderas presentan limitaciones en su resistenciaestructural para alcanzar presiones, pues en caso contrariose tendría que diseñar calderas pirotubulares de diámetrosmuy grandes y espesores, también excesivos en su planchaje,lo cual sería antieconómico comparado con la producción devapor que se generaría.
De allí que presiones de trabajo del orden de 250 libs/pul(17.6 Kg./cm) pueden ser consideradas como tope para estetipo de calderas operando con una capacidad también topepara de 25000 lb/h de vapor, lo cual significa unequivalente redondeado de 750 HP.
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CONTROLES DE CALDERAS INDUSTRIALES
Los controles automáticos de las calderas industriales cumplen dos funciones básicas:
- Regulación, y- Seguridad (protección)
La verificación de la eficiencia de operación de loscontroles puede ser efectuada a través de los instrumentosde medición de: temperatura, presión, composición químicade gases de combustión, etc.
Como todos sabemos a la caldera se le exige mantener unapresión de trabajo constante para la gran diversidad decaudales de consumo, para lo cual debe ser capaz de:
a) Aportar una energía calorífica suficiente a través dela combustión del diesel con el aire.
b) Desde el punto de vista de seguridad, el nivel debeestar controlado y mantenido dentro de unos límites; ypor último
c) Garantizar una llama segura en la combustión.
Control de la Combustión
La regulación de la combustión se basa en mantenerconstante la presión de vapor en la caldera, tomándose sus
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variaciones como una medida de la diferencia entre el calortomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.
El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula decontrol de combustible. La señal procedente del caudal deaire es modificada por un relé de relación para ajustar larelación entre el aire y el combustible, y pasa a uncontrolador que la compara con la señal de caudal decombustible. Si la proporción no es correcta, se emite unaseñal al servomotor de mando del ventilador o a la válvulade mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustadohasta que la relación combustible - aire es correcta.
En la regulación de la combustión puede darse preferenciaen el mando al combustible o al aire para que la operaciónde la caldera corresponda a un sistema determinado devariadas características de seguridad.
Control de nivel
La regulación del agua de alimentación que mantiene elnivel de la caldera depende de múltiples factores, entrelos que pueden mencionarse:
El sistema de control de agua de alimentación puederealizarse de acuerdo con la capacidad de producción devapor de la caldera.
Los sistemas de control pueden ser de los siguientes tipos:
- Un elemento (nivel de agua en el colector de vapor)- Dos elementos (nivel de agua y caudal de vapor); y- Tres elementos (nivel de agua, caudal de vapor y caudal
de agua de alimentación)
Control de nivel de un elemento
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En la regulación de nivel de un elemento, el únicoinstrumento utilizado es el controlador de nivel que actúasobre la válvula del agua de alimentación. El instrumentomedidor de nivel puede ser del tipo desplazamiento o depresión diferencial de diafragma.
En calderas de capacidades inferiores a 1000 Kg/h, laregulación puede ser del tipo todo - nada (on - off), condos alarmas de nivel alto y bajo los cuales actúan poniendoen funcionamiento la bomba de agua de alimentación.
A g u aL T
L C
FIG. 2. Control de nivel de un elemento con controladorneumático
En las calderas de mediana capacidad (2000 a 4000 Kg/h),puede utilizarse un controlador de flotador con un reóstatoacoplado eléctricamente a una válvula motorizada eléctrica.
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A gua
V apor
FIG. 3. Control de nivel de 1 elemento con bomba dealimentación
Control de nivel de dos elementos
A gua
Vapor
A gua
FT
X Y
LR C LT
R elé d erelación
FIG. 4. Control de nivel de dos elementos
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Los dos elementos a controlar son el nivel de agua y elcaudal de vapor que produciría la caldera.La regulación de nivel de dos elementos se lograprecisamente con un controlador de caudal de vapor y uncontrolador de nivel cuyas señales de salida se comparan enun relé de relación que actúa directamente sobre la válvulade control de agua de alimentación. De acuerdo con lademanda de caudal de vapor hay un suministro inmediato deagua de alimentación a través del controlador secundario denivel.
Control de nivel de tres elementos
La regulación de 3 elementos elimina el fenómeno deoscilación del nivel de agua que se produce cuando elcaudal de vapor aumenta o disminuye rápidamente.
La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno esimportante en calderas de cierta potencia y volumenreducido, las mismas que se encuentren sujetas avariaciones de caudal frecuentes y rápidas.
Seguridad de Llama
La detección de la llama es muy importante desde el puntode vista de seguridad en la operación de las calderas.
Para que el funcionamiento de los quemadores sea correcto,estos necesitan que la llama producida por el combustiblesea estable y de calidad y que además se mantenga en estascondiciones mientras el quemador se encuentra en marcha.
Detectores de llama
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Ante una falla en la llama, el sistema de protección debeactuar inmediatamente a través de detectores excitando elcircuito eléctrico de enclavamiento previsto en lasinstalaciones para que el conjunto caiga en seguridad, yevite la entrada de combustible sin quemarlo, eliminando elpeligro de su eventual encendido y explosión subsiguiente.
La base de funcionamiento de los detectores de llama radicaen varias características, tales como: calor, ionización yradiación, para el caso de calderas que queman combustiblelíquido se utilizan los detectores de radiaciónultravioleta.
Los detectores de radiación ultravioleta son totalmenteinsensibles a las radiaciones del refractario caliente.Consiste en un tubo que contiene 2 electrodos, normalmentede tungsteno. Si una radiación ultravioleta penetra en eltubo e incide sobre el cátodo este emite electrones que sonatraídos por el ánodo a causa del campo eléctricoestablecido entre ambos, este proceso ioniza el gas en eltubo con lo que se conduce una corriente.
La autocomprobación del circuito electrónico del sistema dellama se consigue mediante una placa que cortaperiódicamente la radiación de la llama hacia el detector,momento en el cual se autocomprueba el circuito, puescualquier falla detectada hará parar la instalación.
Programadores
Los detectores de llama están conectados a programadorescon relés de seguridad de llama que pueden abarcar desdeuna simple alarma de falla de llama que incluya laparada de la caldera hasta una programación completa querealice las siguientes funciones:
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- Prebarrido o prepurga, es decir limpieza de los gasesque pudieran haberse acumulado desde la últimacombustión en el hogar hasta antes de cada encendido.
- Encendido de la llama piloto;
- Encendido de la llama principal;
- Parada de la instalación con enclavamiento secuencial enel que intervienen los elementos: falla de llama,presión de aire de control, alimentación eléctrica,ventilador de aire forzado, alarma de bajo nivel en lacaldera, etc.
- Postbarrido, fase en la que se limpian los gasesquemados.
El sistema de llama (detector + relé) debe disponer de unaautocomprobación de sus componentes en cada arranque.
Transformador para la ignición(encendido)
Provee una chispa de alto voltaje para el encendido delpiloto de gas o de diesel, según disponga la unidad degeneración de vapor.
Motor modulador del registro de aire
Mueve el registro rotativo de aire y modula las válvulas decombustible por medio de levas y un sistema articulado paraasegurar la proporción correcta de aire - combustible bajotoda condición de carga.
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Interruptor de baja combustión Por medio de una extensión actúa sobre el eje del motormodulador del registro. Este interruptor tiene que estarcerrado para que se encienda el quemador en posición debaja combustión. Este dispositivo evita el encendido delquemador a menos que el motor modulador haya vuelto acolocar el registro rotativo del aire y la válvulareguladora del combustible también a la posición de bajacombustión. Este interruptor es una parte integral delmotor.
Interruptor manual - automático
Este interruptor puede ser accionado en las posicionesmanual y automático. En la posición "automático" todaoperación queda bajo el control modulador que gobierna laposición del motor modulador según la demanda de carga. Enla posición "manual", el motor modulador, por medio delcontrol manual de la llama, puede ser ajustado para laasignación apropiada de la combustión. Básicamente este esun control de prueba y ajuste que se usa para establecer laproporción de aire - combustible a través de todo campo deasignaciones de combustión.Transformador del motor modulador delregistro
El objetivo de este dispositivo es el de reducir el voltajedel circuito de control (110 voltios) al voltaje apropiado(24 voltios, por ejemplo) para la operación del motormodulador.
Conjunto regulador de combustible
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Este conjunto comprende en algunas calderas los siguienteselementos:
- Válvula medidora de combustible : La cabilla (clavija dehierro) de la válvula se mueve para aumentar ydisminuir el orificio variable para regular elabastecimiento de combustible al inyector del quemadorsegún la demanda de carga. El movimiento de la cabillamedidora es centrada por medio de un sistema articuladoy la leva medidora de combustible.
- Leva medidora del combustible : la cual consiste de unsector oscilante, una serie de tornillos de ajuste y unresorte de perfil que permiten al operador ajustar laentrada de combustible en toda asignación del campo demodulación.
- Manómetro de la presión del quemador : El mismo queindica la presión del combustible al punto de la válvulamedidora.
- Válvulas solenoide del combustible : Son accionadas porlos contactos del programador y al ser energizadaseléctricamente permiten el paso del combustible. Cuandose interrumpe el circuito eléctrico hacia la bobina dela válvula, ésta se desenergiza cayendo su núcleo y laválvula obturando así la circulación del combustible.
Presostatos
Los presostatos (conocidos en inglés como "pressuretrolControllers") son dispositivos de control de presión confines de protección en la seguridad operacional de lascalderas, que limitan los excesos de presiones, límitesactuando en combinación con el circuito eléctrico que estáa su vez conectado con el motor del quemador.
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Los presostatos van instalados en una té de tubería en laparte superior del colector de vapor, siendo recomendablearreglar un sifón entre la té y la conexión de la calderaen la misma tubería.
Los presostatos también pueden ser usados en el circuito decombustible para detectar fallas por baja presión (debajode la presión normal de trabajo) del combustible, la mismaque no sea suficiente para mantener una adecuadacombustión. En este caso el presostato accionará abriendolos contactos del interruptor.
Termostatos
Este dispositivo consiste de un bulbo sensor que transmitelas variaciones de temperatura detectada a los contactoseléctricos contenidos en su cuerpo principal.
Controles de nivel de agua de calderaspirotubulares
Todas las calderas de operación automática deben estarequipadas con un interruptor de bajo nivel de agua, el cualimpida el funcionamiento del quemador, mientras no existasuficiente agua en la caldera. Por otra parte otrointerruptor deberá controlar la alimentación de agua.
Un modelo tipo de este dispositivo, es el control"Mcdonnell" que consiste de un flotador, el cual actúasobre un interruptor eléctrico. El interruptor puede serinstalado en la columna. Todas las unidades Mcdonnell vanprovistas de una válvula de purga para desalojar lossedimentos.
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El tipo No.150 puede ser usado en calderas pirotubulares decualquier capacidad, pero solamente hasta presiones detrabajo de 150 lb/pulg (10.5 Kg./cm). Este control llevaun fuelle de metal monel que tiene una vida útil estimadaen 2 años, y la cápsula de mercurio en cambio tiene unavida útil estimada en una año.
El control Mcdonnell va conectado al indicador que permitela observación visual de la cantidad de agua que contienela caldera. Estos indicadores están dotados de válvulas decierre, superior e inferior y un grifo para purga.
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SECUENCIA DE OPERACIÓN DEL PROGRAMADOR DE CONTROLES
Anteriormente se trató en forma breve acerca de losprogramadores, sin embargo es importante esbozar lasecuencia eléctrica de los controles de una caldera desdeel principio del ciclo de arranque, a través del ciclo deencendido (ignición), el período de operación y una paradanormal.
CONTROL PRIMARIO
El control primario, es el sistema de control y seguridadde la operación del caldero y del quemador en particular,este convierte las señales provenientes del detector dellama, controladores, interbloqueos y límites, en unasecuencia de operación segura que permite mantener estableslas condiciones de operación del quemador. Las funcionesdel control primario son:
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C ontrolprim ario
Entrada
Co ntrolador
Lím ites
Se ñal d e llam a
S alida
Ventilado r o bom ba
En cendido
V álvula piuoto
Válvula ( s ) p rincipal
FIG. 5 Control Primario
1.- Ordena las operaciones de arranque, trabajo y corte deun sistema que utiliza quemadores como es el caso delcaldero.
2.- Supervisa la presencia de la llama en el quemador ycorta el suministro de combustible si esta no estápresente.
3.- Se autochequea contra condiciones de operacióninseguras. Si estas condiciones están presentes elsistema no arrancara.
Dentro de los diferentes sistemas de protección de que sedispone para calderos, el mecanismo básico es el protectorrelé, este dispositivo cumple ya con los requerimientos deseguridad en la operación de quemadores de baja potencia.
PROTECTOR RELE R8185E
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Es un control utilizado para proveer seguridad de llama encalderos de baja potencia, con quemadores para diesel 2,provee reciclaje automático y encendido intermitente de loselectrodos. La detección de llama puede ser hechaúnicamente con una fotocélula de sulfuro de cadmio y comolímites usa un termostato de 24 voltios u otro tipo decontrol con un circuito de voltaje adecuado.
Al igual que cualquiera de los controles, dispone de unswitch de seguridad, el mismo que para este modelo darespuesta a los 15, 30 o 45 segundos de pérdida de llama.El tiempo de corte para la alimentación de los electrodosde encendido es de 75 segundos y recicla su operacióndespués de 60 segundos de ocurrido un corte seguro. En suinterior dispone de dos relés de control, los cuales sedenominan relé de carga (1K) y relé de llama (2K). Estosrelés son conocidos en otros tipos de sistemas de control.SECUENCIA DE O PERACIÓN
OPERACIÓN NORMAL
T
F
T
F
Foto celd a
Term ostato 2 4 voltio s
2 k
1 k ss 1 T 2 C o ntrol s eg u ri-dad re sistenc ia
1k 2
2 k 1
2k 2
R es iste n cia de T im e r 1k 3
1k 1
T 1
B lanco
N egro
N aranja
Azul
C aja de conex.
L im ita do r
M otor del q u e m a do rV álv ula d e ac eite
Ig nic ió n
L1
L2
FIG. 6. Protector Relé R8185E
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1. Con alimentación de energía, el primario deltransformador será energizado si los límites seencuentran cerrados (llamada para calor).
2. Si se utiliza un termostato, este debe cerrar para unallamada de calor (caso contrario pueden puntearse losterminales T - T). La resistencia del switch deseguridad comenzará a calentar en prevención de unafalla de llama. El relé de carga 1K es energizado y conesto se cierran o abren los contactos correspondientes ael. El contacto 1K2 cierra pero la resistencia decalentamiento del switch de seguridad continua su cicloa través de 2K1. El contacto 1K3 también cierra pero eltimer de calentamiento no operará mientras se mantengaabierto el contacto 2K2. Con el cierre del contacto 1K1son accionados el motor del ventilador, la solenoide decombustible y el transformador de encendido; con lo cualdeberá encenderse la llama.
3. Cuando la fotocélula de sulfuro de cadmio sensa lapresencia de la llama, la bobina del relé 2K esenergizada y el timer de calentamiento inicia su cicloal cerrarse el contacto 2K2. Se abre el contacto 2K1desenergizando la resistencia de calentamiento delswitch de seguridad; 75 segundos más tarde el timer decalentamiento abrirá los contactos T1 y T2 cortando laenergía del transformador de encendido y haciendo un by-pass al switch de seguridad con lo cual el proceso decombustión puede continuar con seguridad hasta que lademanda de calor se satisfaga.
4. Cuando la presión o temperatura de trabajo en el calderoha sido alcanzada, el termostato abrirá (o corta elpresostatos ubicado como límite), con lo cual sedesenergiza el relé 1K cortando la operación del motordel ventilador y la válvula solenoide de combustible. Alno sensar llama el relé 2K también será desenergizado.
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CORTE SEGURO
5. Cuando la llama falla al tratar de encenderse, laresistencia del switch de seguridad seguirá calentándosehasta que transcurridos 15, 30 o 45 segundos(dependiendo del modelo) abre el contacto SS1permitiendo que se desactive el relé 1K y cortando deesta manera la operación. El switch de seguridadrequiere de reestablecimiento manual una vez que secorrija la causa que determinó el corte.
6. Si la llama falla en operación normal, el detectordejará de sensar haciendo que el relé 2K abra o cierresus contactos. El contacto 2K1 cierra y el 2K2 abredesenergizando la bobina del relé 1K con lo cual secorta la operación. El timer de calentamiento debereciclar para cerrar el contacto T2 y permitir que laresistencia del switch de calentamiento inicienuevamente su ciclo hasta abrir el contacto SS1 y cortartotalmente la operación.
CONTROL PRIMARIO DE SEGURIDAD DE LLAMA RA890F(HONEYWELL)
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C on trol d eLím ite
Vá lvu lap rincip al d e ga s
Interrup c.en cend id o
Vá lvu lap iloto d e
G a s
L 2 L 1
S w itchP rincipa l
C on tro l d e voltajed e líne a
6
7
T
F
G
1 K 1 2K 2
2K 1
5
4
J
1
2
1K --- R ELE D E C A R G A
2k --- R E LE D E LLAM A
S in u soC ircuitoE lectrónc.
Term istor
1 K 4 2 K 3
1 K S S
1 K 2x
xAl detectorde llam a
Equipo debajo volt.
P uente
S S C alefacto r
FIG. 7. Control de seguridad de llama RA890F (Honeywell)
Sirve para protección de quemadores que utilizan comocombustibles gas y diesel o quemadores mixtos; emplea elprincipio de rectificación para la detección electrónica dela llama y puede ser entonces con varillas de llama,fototubos de óxido de cesio y tubos ultravioleta. Por sucaracterística puede ser utilizado con piloto de encendidointerrumpido.
El switch de seguridad acciona en 15 o 30 segundosdependiendo del modelo y dispone de un termistor pararetardo (4 segundos) del accionamiento del relé de carga(1K) en prevención de que variaciones de voltaje pudieranafectar el accionamiento oportuno del relé.
SECUENCIA DE OPERACION
OPERACIÓN NORMAL
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Los diferentes dispositivos asociados a este controldeberán estar conectados como se muestra en la figura. Encaso de utilizarse piloto debe ser removido el puente quehace by - pass al contacto 1K2
1. Con alimentación de energía por intermedio del switchprincipal (L1 y L2) y controles límites cerrados por unallamada de calor, el primario del transformador esenergizado.
2. A través de la resistencia de calentamiento del switchde seguridad, el termistor iniciará su ciclo decalentamiento, al cabo del cual (4 segundos) aumenta suconductividad y permite el paso de suficiente corrientepara accionar el relé de carga 1K. La resistencia delswitch de seguridad inicia su calentamiento enprevención de una falla en el encendido.
3. El contacto 1K4 cierra y hace un by-pass al termistor,el contacto 1K3 cierra haciendo también un by-pass a laresistencia de calentamiento en prevención aldesactivamiento posterior de esta. Si se usa piloto elcontacto 1K2 cierra permitiendo la detección de llama siesta se presenta. Mientras tanto el contacto 1K1 de pasode corriente a los terminales del transformador deencendido interrumpido, a la válvula del piloto ( o alencendido del retardado cuando se usa diesel sinpiloto) y al motor del ventilador. El retardo en elencendido del diesel puede hacerse utilizando un timerelectrónico regulado un tiempo menor que el tiempo dedisparo del switch de seguridad, permitiendo se anticipeel flujo de aire en la cámara de combustión para que elingreso de combustible cuente ya con la cámarapresurizada.
4. Cuando la llama del piloto o de la primera etapa dediesel ha sido detectada, el circuito electrónicoamplifica la señal proveniente del detector y activa elrelé 2K. El contacto 2K1 abre interrumpiendo la energía
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a los electrodos de encendido. El contacto 2K2 cierra yuna segunda etapa de combustible puede ser encendida(para esto se requerirá mayor admisión de aire). Elcontacto 2K3 abre interrumpiendo el calentamiento delswitch de seguridad. El quemador sigue entonces operandohasta que la demanda de calor haya sido satisfecha.
5. Si la condición de operación deseada haya sidoalcanzada, el control límite abre la línea dealimentación L1, desenergizando el primario deltransformador y todo el sistema cae.
CORTE SEGURO
6. Cuando una falla en el encendido se presenta, el switchde calentamiento transcurrido su tiempo (15 0 30segundos) abre el contacto SS y el relé 1K caerácortando toda la operación.
7. Si la llama se interrumpe en trabajo normal, la nodetección de esta hará que no se disponga de energíapara mantener cerrado el relé 2K. El contacto 2K3cerrará volviéndose a iniciar el calentamiento de laresistencia del switch de seguridad, el contacto 2K1cierra dando energía para el transformador de encendido,permitiendo un nuevo intento para establecer la llama.El contacto 2K2 abre interrumpiendo la segunda etapa decombustible. Si la llama no logra establecersenuevamente, se produce un corte similar al descrito enel punto 6; si la llama se establece, la combustiónsigue con seguridad y el circuito opera de acuerdo a losdescrito en los puntos 4 y 5.
PROGRAMADORES
Los sistemas de control de encendido hasta aquí descritos(R8185E Y RA890F) y otros de similares características sonsatisfactorios para la secuencia y supervisión de encendido
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de quemadores pequeños y medianos. Conforme aumenta lacapacidad de los quemadores el riesgo de ocurrencia desituaciones peligrosas también aumenta. La necesidad de darmayor seguridad a quemadores de gran tamaño deriva de lautilización de secuencias más complejas en el encendido,por ejemplo se requiere que la cámara de combustión, tubosde fuego y chimenea sean barridos con aire antes dearrancar el sistema. Entonces deben agregarse a loscircuitos de supervisión y detección las facilidadesnecesarias para ejecutar un proceso de purga. También habráque modificar los circuitos para dar capacidad deregulación de la intensidad de llama (modulación) opermitir la apertura en secuencia de un grupo de válvulassolenoides. La supervisión de llama también es más complejaya que por ejemplo debe cortarse el piloto antes de que elquemador principal alcance las condiciones de trabajo.
En resumen el programador de seguridad de llama controla lasiguiente secuencia:
Prepurga Tiempo de encendido para el piloto Tiempo de encendido de la llama principal Post - purga
La prepurga es el periodo durante el arranque del caldero,en el cual únicamente el ventilador del quemador trabajapara mandar aire a través de la cámara de combustión, tubosde fuego, chimenea y pasajes asociados a estos. El objetivoes eliminar la posibilidad de acumulación de mezclascombustibles no quemados en el encendido anterior. La Post- purga es el periodo posterior al corte de la llama, en elcual se realiza también un barrido con aire a los mismoselementos. En quemadores rotativos horizontales donde laatomización es hecha por fuerza centrífuga, la post - purgapermite limpiar el tazón y el anillo previniendo ladescarga de combustible no atomizado que queda después delcorte.
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El tiempo de encendido de la llama principal es el tiempodurante el arranque en el cual con el piloto encendido, seespera que la llama principal se estabilice antes que secorte el piloto, asegurando de esta manera que el detectorsupervise no solamente la llama principal sino también elpiloto.
Seguir paso a paso la operación de un programador, resultatediosos, en razón de que deben analizarse los tiempos decierre y apertura de cada uno de los contactostemporizados. Para ello es importante contar con eldiagrama simplificado de los programadores que existencomúnmente en el mercado como el Honeywell R4140G.
El programador R4140G básicamente tiene los mismoscomponentes que el control primario RA890F, exceptuando eltermistor, la temporización se hace por medio de unmecanismo de levas accionado por un pequeño motoreléctrico, el mismo que abre o cierra contactos paresubicados en los seguidores de levas, durante una rotacióndel motor, se cumple una secuencia de encendido apagado delquemador, verificándose en diferentes puntos la presenciade aire en la cámara de combustión, la posición del damperde admisión de aire, presión de combustible, etc. porintermedio de los bloqueos de arranque y carrera descritoscon anterioridad. La supervisión de llama puede ser hechapor cualquiera de los elementos detallados dentro de estetrabajo, excepción hecha de la fotocélula de sulfuro decadmio. La amplificación de la señal de llama se ejecutapor un amplificador electrónico enchufable, el cual debecorresponder en su tipo a los requerimientos del detectorde llama.
Los sistemas de seguridad (switch) en este programadorpueden ser seleccionados para diferentes tiempos, al igualque el tiempo de encendido del piloto y los tiempos depurga. El programador permite el accionamiento de más deuna etapa de encendido y la modulación de la llama, por
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tanto puede trabajar con controles tales como el motordamper y el modulador de llama (modutrol). El sistemaadicionalmente permite la utilización de sistemas dechequeo dinámico que permiten determinar la confiabilidadde la operación del detector de llama, bloqueando la visiónde esta en rangos que van de 60 a 150 veces por minuto.
Pese a que se ha tratado con cierto detalle los sistemasHoneywell, existe en nuestro mercado la disponibilidad deotras marcas y modelos equivalentes o con mejorescapacidades que los aquí estudiados. Por ejemplo comoalternativas del protector relé Honeywell R8185E, se tieneel Satronic TF701-1, similar al control primario RA890F esel control Fireye TFH20; como alternativa del programadorHoneywell R4140G, se dispone en la marca Fireye los modelos70D20 y 70D30.
Los rangos de aplicación de un control de llama enparticular dependen de los beneficios en sentido deseguridad que el dispositivo puede dar, debe analizarse elfactor costo también para determinar una aplicaciónespecífica a fin de no subutilizar un equipo de capacidadesde control muy grandes en una práctica que no lo requiere.La importancia en la selección adecuada de un sistemacompleto de control para un caldero radica en la capacidadde éste para supervisar con seguridad toda la secuencia deoperación, contando con equipos y controles periféricoscompatibles.
Cuando las potencias de los quemadores y por tanto de loscalderos lo requieren se dispone en el mercado de sistemasmás versátiles que permiten la señalización y monitoreo adistancia o en menor grado programadores controlados pormicroprocesadores que permiten tener inclusive unacodificación de fallas de los equipos y componentesasociados al programador y de su circuito interno mismo.Este último caso es del programador Honeywell BC 7000.
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