Cuidando la Caldera

23/07/2003
Por Claus L. Scheitler*

Introducción al tema

Los detalles para cuidar una caldera de vapor, son muchísimos los factores a tener en cuenta, pero, en el presente articulo nos abocaremos a un solo factor el que creo correctamente denominado llamándolo

El enfriamiento innecesario de la caldera de vapor

Historiando un poco, he visto muchísimas calderas de vapor, especialmente en la Industria Láctea, las cuales después de haber estado produciendo el vapor diario necesario para la elaboración y hallándose inactivas a la espera de la siguiente jornada, observé que la clapeta de apertura y cierre del paso de los gases calientes salientes de la caldera y con destino a salida a través de la chimenea, se hallaba en la gran mayoría de los casos abierta.

Por ser muy curioso y gustarme ir a fondo en las situaciones que veo en la Plantas de Industrias Alimentarias, observé en algunos casos, que la manija para accionar el mecanismo de la clapeta estaba cubierta de polvo, señal de que no se la usa y al pretender accionarla manualmente, me encontré en muchos casos de que el mecanismo estaba clavado y enmohecido por falta de uso.

Esta funcionamiente de esta clapeta es muy semejante a las válvulas tipo mariposa que abren o cierran con solo ¼ de vuelta.

Debido a que esta clapeta de cierre de los gases, trabaja dentro de la chimenea, sencillamente no se la ve a ojos vista, lo que sí se ve es su palanca de accionamiento, la que según criterio del Fabricante, generalmente tiene una planchuela que termina con un formato de punta de flecha, el significado de esta punta de flecha es el siguiente:

A) Cuando apunta hacia arriba se debe a que la clapeta esta abierta, permitiendo el paso de los gases calientes hacia la intemperie a través de la chimenea.

B) Cuando apunta en forma horizontal hacia un costado se debe a que la clapeta esta cerrada y por consiguiente impide la circulación de gases.

En la siguiente ilustración esquemática, del frente de una caldera del tipo escocesa, podremos ver la clapeta y como funciona, su dibujo punteado se debe a que se encuentra oculta, dentro de la chimenea.

Si bien aquí vemos como ilustración una caldera del tipo escocesa, las clapetas de cierre de casi todos los modelos de calderas trabajan de la misma forma, o sea están ubicadas a la salida de los gases y casi siempre instaladas dentro del extremo inferior de la chimenea.

Clapeta, como funciona

Analicemos el funcionamiento normal de esta clapeta:

A) Cuando la caldera funciona, necesariamente tiene que estar abierta la clapeta para dar paso hacia el exterior de los gases calientes sobrantes ó que no desprenden mas calor para intercambiar con el agua en ebullición de la caldera.

B) Cuando la caldera esta detenida, es conveniente de que esta clapeta este cerrada para evitar el paso del aire y el consiguiente enfriamiento de la caldera.

La corriente de aire que se produce dentro de una caldera apagada y caliente es muy importante, debido a que cuando el aire se calienta pierde peso especifico y genera un movimiento ascendente importante, este principio es el mismo que genera la fuerza necesaria para el ascenso de los globos de aire caliente, lo cual fue descubierto y llevado a la practica por los Franceses Hermanos Montgolfier, cuando más se calienta el aire, menos pesa y en el caso que nos ocupa de las calderas apagadas, pero, calientes, se acelera la circulación de aire el que al calentarse pierde peso, produciendo como consecuencia el enfriamiento del acero de la caldera, sus zonas de protección refractaria y el agua contenida dentro de la misma.

Fuerza ascendente del aire caliente

Para tener una idea de la fuerza ascendente del aire, veamos cuanto pesa, según su temperatura 1 m³ de aire (un metro cúbico igual a 1,000 litros)

1 m³ de aire a -20°C. Peso 1,395 Gramos
1 m³ de aire a -10°C. Peso 1,341 Gramos
1 m³ de aire a 0°C. Peso 1,292 Gramos
1 m³ de aire a +10°C. Peso 1,246 Gramos
1 m³ de aire a +20°C. Peso 1,204 Gramos
1 m³ de aire a +30°C. Peso 1,166 Gramos
1 m³ de aire a +40°C. Peso 1,127 Gramos
1 m³ de aire a +50°C. Peso 1,092 Gramos
1 m³ de aire a +60°C. Peso 1,061 Gramos

Aceptando como ejemplo de que en la sala de calderas hubiera aire de 30°C. cuyo peso es de 1,166 Gramos por m³ el mismo penetra dentro de la caldera y en el supuesto de que su temperatura se elevara a 60°C. su peso baja a 1,061 Gramos, generando una fuerza ascendente de 105 Gramos por cada metro cúbico de aire y si suponemos de que esa caldera tiene una chimenea de Ø 0,40 x 10 metros de alto tendremos un contenido cúbico solamente de la chimenea de 1,28 m³ mas aproximadamente 3 m³ la caldera (comprende la zona de fuego, gases y humo) lo que hace un total de aprox. 4,28 m³ a razón de 105 gramos, tendremos una fuerza ascendente total de aproximadamente 449 Gramos.

Esta fuerza ascendente, generada por la perdida de peso del aire, hace que la caldera caliente pero inactiva, aspire aire hacia su interior por las aberturas del cenicero y tomas de aire del quemador u otras aberturas.

Para comprobar en forma practica esta circulación de aire en una caldera recientemente apagada, y con la clapeta abierta, es suficiente introducir en una abertura preferentemente alta de la tapa de fuego, un trozo de papel liviano, como por ejemplo papel higiénico, levemente arrugado y veremos como flota dentro de la caldera, buscando salir hacia arriba y si no se engancha en alguna parte hasta podrá salir por el extremo superior de la chimenea.

A medida que la diferencia de temperatura desciende, también desciende la fuerza ascendente y finalmente cuando no hay mas diferencia de temperatura, o sea cuando la caldera se enfrió totalmente y tiene la misma temperatura que el aire que la circunda, desaparece la fuerza ascendente, terminando por consiguiente la circulación de aire en cero.

Perdiendo o ganando en economía de costos

Después de todos estos razonamientos, entraremos a analizar las razones por las cuales es conveniente cerrar la clapeta cada vez que finaliza la jornada de trabajo de la caldera.

Tomemos como ejemplo una caldera cuya presión de trabajo aproximada es de 7,17 Atmósferas o sea 105 Libras y la temperatura operativa del agua y vapor de la caldera a la presión indicada es de 165°C.

(ver las tablas con estos datos en  "Temperatura del vapor de salida y otros datos, según presión operativa de Calderas de vapor")

En la practica, con la clapeta cerrada, es imposible mantener de un día para otro la ideal temperatura operativa de 165°C. ya que la aislación y otras partes de la caldera tienen perdidas por radiación, pero, si es factible lograr de un día para otro que el conjunto de caldera, refractarios y agua tengan aproximadamente unos 90°C. antes de encenderla, en cambio si durante su inactividad mantenemos la clapeta abierta su temperatura general descenderá a aproximadamente 30°C.

Entremos a cuantificar los inconvenientes y perdidas que nos podrán ocasionar mantener la clapeta abierta, ocasionando estos 60°C. de perdida por diferencia de temperatura.

Además de la presión operativa de 7,17 Atmósferas o sea 105 Libras, tomemos como ejemplo las siguientes características de la caldera con su balance térmico sobre la base de 60°C. de perdida

Peso del acero con la cual esta construida 3,000 Kg calor especifico 0,114 = 20,520 Kcal.
Peso del revestimiento refractario 1,000 Kg calor especifico 0,20 = 12,000 Kcal.
Agua contenida 2,000 Lts. Calor especifico 1,0 = 120,000 Kcal.

Total de la perdida 152,520 Kcal. lo cual equivale a una caldera que quema gas con un poder calorífero de 9,250 Kcal/m³ con un rendimiento aproximado a los 80 % de que necesita quemar 20,6 m³ de gas.

¿Cuánto representan 20,6 m³ de gas, de mas consumo en la caldera por día?

En el consumo de una Industria que utiliza tal vez miles de metros cúbicos de gas por mes, esta cifra seria tan pequeña que tal vez no se la tenga en cuenta, pero, si la comparamos con otros parámetros talvez nos parezca mucho, puedo citar un ejemplo que conozco bien porque se trata del consumo de gas en mi casa en pleno invierno cuyo consumo con varias estufas, calefones y cocina llega a 5,6 m³ por día.

De esta forma vemos de que la perdida por gas quemado inútilmente por dejar la clapeta abierta, significa el consumo diario de 4 viviendas.

Aparte del gas que se gasta en reponer la perdida innecesaria de la temperatura, debemos tener en cuenta la perdida de tiempo ya que llegar desde los 30°C. hasta los 90°C. lleva aproximadamente 1 hora de tiempo, aproximadamente el mismo tiempo ó tal vez menos tiempo del necesario para iniciar la combustión con 90°C. y llegar a la generación de vapor a 7 Atmósferas.

Prolongando la vida util de la caldera

Otro factor por el que al principio de este articulo decimos “Prolongue su vida útil” (de la caldera) es que al circular el aire frío dentro de la caldera, se produce una constante diferencia de temperatura entre el casco principal y los tubos; el casco principal se mantiene más caliente que los tubos debido a que el aire que circula dentro de la caldera, casi no puede entrar en contacto con el casco y además debido a que el casco esta aislado, siempre esta más caliente que los tubos entonces se produce el problema de que los tubos se acortan mas que el casco lo cual los pone tirantes y suelen correr sus posiciones donde se encuentran mandrilados sobre los orificios de las placas frontales, este estiramiento o corrimiento cuanto mas fuerte y frecuente es la diferencia de temperatura trae como consecuencia de que los tubos con el tiempo empiezan a perder.

Resumiendo

Es conveniente, cerrar la clapeta cuando se detiene la actividad de la caldera, además lo ideal para el máximo ahorro de combustible y tiempo seria si este movimiento de abrir y cerrar la clapeta se automatiza, accionándola con por ejemplo un cilindro neumático comandado por una electro válvula la cual recibiría la señal de cerrar y abrir la clapeta desde el tablero del quemador, cada vez que se detiene el quemador, inclusive conveniente que se cierre durante los intervalos donde el quemador se apaga y enciende durante la jornada de producción de vapor, ya que son los periodos donde la caldera esta trabajando a su máxima temperatura operativa, con la consiguiente mayor perdida por grandes diferencias de temperatura.


* Claus L. Scheitler: Empresario Asesor, Importador y Exportador de Instrumentos de Medicion para Industrias
Director del sitio www.scheitler.com.ar

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