Como funcionan las calderas de vapor

El vapor se necesita una gran cantidad de energía para convertir agua en vapor esa energía no se pierde sino que es transportada en el vapor para ser liberada cuando el vapor se convierte de nuevo en agua la energía se libera como color calor que se transfiere a velocidad formidable cuando el vapor entra en contacto con una superficie más fría.

Sencillamente el vapor es un conductor muy eficiente de energía de calefacción es versátil seguro y completamente estéril un medio de energía verdaderamente moderno con un rendimiento capaz de satisfacer las demandas más exigentes de cualquier ramo industrial el uso eficiente del vapor requiere de un control preciso utilizando un equipo confiable fabricado por expertos.

Expertos como los de spies el arco de hecho no hay mejor lugar que la caldera para ejemplificar esto es el corazón de todos los sistemas de vapor hasta hace poco la necesidad de sistemas sofisticados de control para caldera no era del todo entendida a menudo y equivocadamente se pensaba que si el nivel del agua a través del cristal era calmo y estable lo mismo podría decirse del movimiento del agua al interior de la caldera pero es pirates arco sabía que no. Era así es pirates arco ha filmado escenas que nos revelan el misterioso mundo interno de la caldera y un visor especial montado en la parte trasera de una caldera industrial típica permitió la filmación de su comportamiento mientras la caldera era expuesta a una serie de pruebas minuciosamente controladas el resultado es un extraordinario testimonio visual de acontecimientos que solo habían sido vistos por unos cuantos pero para poder apreciarlo en su totalidad debemos examinar algunos conceptos fundamentales el principio fundamental.

Detrás de la operación de una caldera es relativamente sencillo el agua es calentada hasta su punto de ebullición y se produce vapor conforme se evapora el agua su nivel baja y habrá que suministrar agua para mantener un nivel dado el nivel del agua puede ser extremadamente sensible a cambios como un aumento en la demanda de vapor.

El primer propósito de los sistemas de control es mantener el nivel del agua dentro de los límites superiores e inferiores si es demasiado bajo las superficies de calentamiento quedarán expuestas y la caldera se sobrecalentará si es demasiado alto el agua podría ser aspirado junto con el vapor resultando en una pobre calidad de vapor y arrastre el diseño compacto de las calderas modernas implica que esta banda de operación es muy angosta por lo tanto un control preciso se ha vuelto imprescindible para una operación segura y eficiente para poder controlar el nivel del agua en una caldera debe ante todo poder medirse pero qué significa exactamente el término nivel del agua en estas condiciones.

Aún con tasas bajas de generación de vapor cuando las condiciones son de lo más estable 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 del nivel general aunque la cantidad de agua en sí no ha cambiado entre más vigorosa se vuelve la ebullición más aumenta el nivel la superficie está casi toda formada de grandes burbujas que se revientan pero el espesor de esta capa de burbujas puede variar según las circunstancias los cristales de nivel externos deben medir el nivel del agua en ebullición.

Justo por debajo de la capa de burbujas donde la proporción de agua burbujas 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 es un punto libre de turbulencias y burbujas así mismo las ondas de nivel instaladas en el interior de la caldera deben estar alojadas en protectores para un control seguro del nivel de la caldera son indispensables sondas de nivel precisas y confiables para reemplazar el agua que ha sido convertida en vapor es necesario suministrar agua de reposición.

Un método común para lograrlo es conocido como control de nivel on off cuando el nivel del agua cae a un cierto punto la bomba de alimentación se enciende y llena la caldera hasta el nivel adecuado y así se repite el ciclo es bastante sencillo de llevar 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 tasa constante hacia la atmósfera al añadir una cantidad de agua fría esto tiene un efecto dramático inmediatamente se suprime la tasa de ebullición por consecuencia la generación de vapor disminuye y la tasa sólo puede recuperarse hasta que el agua haya alcanzado nuevamente su punto de ebullición esto es una desventaja del control de nivel on off los mismos efectos pueden ser vistos en la caldera.

Pero dado que ocurren en un período de tiempo más largo son menos evidentes las tomas fotográficas proporcionan una imagen clara de los acontecimientos tan pronto como se enciende la bomba la ebullición es suprimida y el nivel cae al apagarse la bomba la ebullición se recupera lentamente y el nivel empieza a subir solo que continúa ascendiendo por encima de la posición off de la bomba debido a la reaparición de las burbujas de vapor note la formación de niebla justo después del encendido de la bomba esta niebla se debe a que el vapor recién generado se vuelve a condensar por el repentino descenso de la temperatura del agua.

Tan pronto como la bomba se apaga y la temperatura aumenta la niebla desaparece así con el control en off el nivel del agua sube y baja continuamente lo que también hace la tasa de generación estos efectos pueden ser reducidos con el precalentamiento del agua de alimentación cuanto más alta la temperatura más rápidamente se recupera la tasa de ebullición una temperatura más elevada del agua de alimentación también reduce el consumo de secuestradores químicos de oxígeno una solución más adecuada es lograr un suministro continuo pero variable de agua precalentada para mantener la caldera en equilibrio al suministrar cuidadosamente el caudal de agua de reposición para igualar los cambios en la demanda de vapor el nivel es mantenido en una posición óptima con poca fluctuación en una caldera esto se conoce como control modulado el resultado es un caudal de vapor constante y seguro y una caldera balanceada lista para responder a demandas fluctuantes si usted compara para una misma demanda de vapor una caldera operando a bar y otra bar y medio podrá 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 ello es que las burbujas de vapor son más grandes a baja presión y al ser más grandes causan más turbulencia conforme se rompen en la superficie trabajar a baja presión es obviamente menos estable y hay más probabilidad de que gotitas de agua contaminen la calidad del vapor cuando el nivel del agua alcance su punto más alto por ello si se requiere vapor de baja presión es aconsejable operar la caldera a su presión de diseño y en el punto de aplicación bajarla con una válvula reductora de presión todas estas pruebas han sido llevadas a cabo bajo condiciones casi ideales con una carga de vapor constante y ligera sin embargo las demandas de vapor reales son raramente estables varían frecuentemente y una caldera debe ser capaz de responder a estos cambios cuando la demanda de vapor aumenta la caldera tardará un poco en aumentar su generación para igualar la nueva demanda sin embargo durante este periodo de transición la demanda de la planta sobrepasa 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 observe como reacción al aumentar temporalmente la demanda de vapor pero dentro de la capacidad máxima de la caldera la superficie del agua burbujeante empieza a aumentar con una rapidez sorprendente dentro de pocos segundos el nivel es tan alto que el agua y la espuma son arrastradas hacia el punto de salida del vapor tan pronto como la demanda disminuye 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 uno 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 el otro y ocurre simultáneamente es que el agua en la superficie se evapora causando mayor turbulencia cuando hay una caída de presión se produce vapor flash si usted tuviera un recipiente con agua a alta presión justo por debajo de su punto de ebullición y abriera una válvula para bajar la presión parte del agua se convertiría espontáneamente en vapor sin aporte de calor si cerrara la válvula permitiría un aumento de presión y la producción de flashes 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 deberá ser aumentada gradualmente porque es precisamente el aumento la causa de la inestabilidad de la caldera aún cuando la demanda esté dentro de la capacidad de la caldera si la demanda de vapor es aumentada más allá de su capacidad de generación aún por un período muy corto esto puede ocasionar problemas de golpe de ariete y nivel bajo de agua en la caldera de hecho es común que la caldera se apague al ser sobredemandada al accionarse la alarma de bajo nivel para explicar esto fíjese lo que ocurre cuando la demanda de vapor es aumentada suavemente hasta un por encima de la capacidad máxima tal como esperado la caída de presión ocasiona que el nivel de la superficie aumente y las condiciones se vuelvan más turbulentas debido a la formación de vapor flash muy pronto el agua es aspirada hacia la toma de vapor pero esta vez al sostener la sobredemanda el nivel turbulento de burbujas sigue subiendo llegando a ocultar el visor de la cámara y ocasionando un arrastre casi continuo nada de esto es visible en el indicador de nivel externo ya que está mostrando agua casi libre de burbujas mientras que el agua en la parte superior de la caldera consiste principalmente de burbujas de vapor los niveles mostrados empiezan a caer conforme el agua se revaloriza continuamente en el intento de la caldera por satisfacer la demanda excesiva eventualmente la primera alarma de bajo nivel es accionada esto apaga el quemador y el agua llena de burbujas bajas rápidamente enseguida 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 de nivel precisos y fiables el agua contiene sales químicas en solución llamadas sólidos disueltos éstos 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 sistema de control de los sólidos disueltos fue desactivado y su nivel aumentó casi al doble del nivel normal de operación la operación de la caldera es bastante normal de bar con una demanda moderada y estable 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 está más en calma de lo normal esto no es sorprendente ya que los altos niveles de sólidos disueltos alteran el comportamiento físico de las burbujas se vuelven más estables y tardan más en reventar lo que resulta en espuma lo que no es tan aparente es que el nivel de la buena ebullición real medido por el sensor de nivel no está donde usted se imagina de hecho está 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 del arrastre aún cuando los demás parámetros estén 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 alimentación o al reaccionar ante un aumento de la demanda afortunadamente estos problemas pueden ser fácilmente evitados al utilizar un método apropiado de control de los sólidos disueltos los niveles del agua en una caldera deben ser mantenidos dentro de un rango de operación muy estrecho demasiado alto puede ocasionar arrastre demasiado bajo y la alarma de nivel bajo de agua se dispara apagando la caldera y tal como lo hemos visto hay muchos factores que pueden alterar este delicado equilibrio aún con cargas moderadas y estables la operación on off de la bomba de alimentación ocasiona una supresión de la ebullición seguida de una dilatación que lleva el nivel por encima del punto de apagado de la bomba un aumento en la demanda también produce 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 altos niveles de sólidos disueltos producen una espesa capa de espuma sobre la superficie del agua induciendo arrastres incluso con demandas de vapor mucho más bajas de la normal en una caldera con controles automáticos tales como los controles modulan test de alimentación de agua y los sistemas para control de sólidos disueltos estos efectos serán mínimos y permitirán que la caldera trabaje adecuadamente la caldera estará lista para responder a las demandas y circunstancias cambiantes del uso industrial al cual está expuesta diariamente produciendo vapor de buena calidad al combinar todo esto con la tecnología más reciente en alarmas de precisión auto verificables de nivel alto y bajo hará posible operar calderas en forma completamente automática y con poca necesidad de supervisión espiral zarco es el proveedor mundial de conocimientos servicios y productos para asegurar una operación eficiente y segura de las calderas.