Tipos de Calderas industriales

1. Investigación sobre Calderas: Partes, Funcionamiento y Como se
Enciende un Caldero
Nombre: Denis Fabricio Viera Rey
Email: dviera@espol.edu.ec
Carrera: Ingeniería Química
Fecha entrega: 13/06/2012
El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en
el calentamiento de procesos, en la generación de potencia y en la calefacción de
espacios.
El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio,
inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control; cuando se condensa, da un
calor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; puede usarse para
generar potencia y proporcionar calefacción.
El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vapor
húmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado.
En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas más
representativas en el medio industrial entre las que se encuentran las pirotubulares y
las acuotubulares. También se describen los principales sistemas de control que
deben tener los generadores de vapor.
1 CALDERA
Una caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce vapor a una
presión mayor que la atmosférica. A la máquina le entra una energía (aire–
combustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentemente agua)
efectuándose el proceso de evaporación, cuyo mecanismo de transferencia de calor
depende del tipo de Caldera.
Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principales
CÁMARA DE AGUA:
Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en
su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos
o conductos de humo superiores. Según la razón que existe entre la capacidad de la
cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran
volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

2. CÁMARA DE VAPOR:
Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser
separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor,
tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la
distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.
3 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Por la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, como
calderas de tubos de humo (pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).
3.1 CALDERAS PIROTUBULARES
En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos
y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de
operación de 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 1.
Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño, mayor flexibilidad
de operación, menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, son
pequeñas y eficientes.
Desventajas: Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento, no se
deben usar para altas presiones.
Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

3. Las calderas pirotubulares o de depósito como también se llaman, generalmente son
de forma cilíndrica y tienen una cámara de combustión con una relación mínima entre
la longitud y el diámetro de 3:1 (SAXON, 2006).
Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de
procesos y en aplicaciones industriales y comerciales. (KOHAN, 2000)
Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples pasos.
3.1.1 Calderas pirotubulares de un paso. Estas calderas tienen un conjunto de
tubos de humo que las atraviesan desde el principio hasta el final, con los
quemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser
colocados en la cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadores
van montados dentro de cada tubo y normalmente en las calderas horizontales el tiro
es forzado y en las verticales el tiro es natural.
Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen una producción de
vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las calderas verticales son comúnmente usadas
para tintorería y en la fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006).
Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de (SAXON, 2006)
3.1.2 Calderas pirotubulares de múltiples pasos. Esta caldera usualmente tiene
una sola cámara para la combustión principal, con un conjunto de tubos por donde 5
pasan los gases calientes, tanto por el frente como por la parte de atrás de esta. Uno
de los primeros diseños fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3;
esta fue originalmente diseñada para quemadores con carbón, pero luego fue
convertida a gas natural. El rendimiento térmico de este tipo de caldera generalmente
es cerca de 73–77%.

4. Figura 3. Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006)
La caldera moderna de cámara empaquetada generalmente es de tres pasos en la
caldera húmeda, figura 4, sino hay problemas de fugas de aire podría funcionar con
eficiencias térmicas de 78–83%.
El combustible puede ser petróleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta
31800 kg/h con presiones de hasta 18 bares. Las Calderas de más de 16820 kg/h de
salida generalmente tienen dos tubos de combustión (SAXON, 2006).

5. Figura 4. Caldera de tres pasos. Adaptado de (SAXON, 2006)
3.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES
En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubos
y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan presiones de operación de 0-
150 bares (0-2200 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 5.
Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más.
Desventajas: Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua de
gran pureza.
Figura 5. Caldera acuotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

6. Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la generación de
energía en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor de
los bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de forma
rectangular y los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a
un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por
encima de la cámara principal de combustión. Los productos son por lo general por
encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las calderas trabajan con
carbón pulverizado o petróleo. Algunas han sido convertidas a gas, también pueden
trabajar con dos quemadores de combustible.
3.3 CALDERAS DE TIPO SERPENTÍN
Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto
de serpentines. La llama del quemador va por el interior y centro del serpentín, los
productos pasan alrededor de las capas externas de los serpentines, figura 6. Estas
calderas se denominan a veces generadores de vapor o vaporizadores de vapor.
Figura 6. Caldera de serpentín. Adaptado de (KOHAN, 2000)

7. Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas cantidades de vapor
rápidamente, en menos de 5 minutos. Se debe tener cuidado con el tratamiento de las
aguas, por lo general es a base de sodio en combinación con aditivos químicos es
todo lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas de
alimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta aproximadamente
9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de gas o de petróleo.
3.4 OTRAS CALDERAS
Además de las calderas descritas, también existen las calderas de gas que se utilizan
para proporcionar vapor húmedo para panadería, hornos de pastelería. Estas calderas
son pequeñas y las presiones de trabajo son del orden de los 2 bares, figura 7.
(SAXON, 2006).
Figura 7. Caldera de vapor pequeña. Adaptado de (SAXON, 2006)

8. 4. EFICIENCIA DE LAS CALDERAS
La eficiencia de las calderas está determinada por la siguiente ecuación:
En la tabla 1 se hace un comparativo de las eficiencias más representativas de
acuerdo al tipo de caldera, la capacidad y el combustible usado.
Tabla1. Eficiencia típica de calderas según PCS. Adaptado de (CONAE, 2007)
5. ANALISIS DE FALLAS EN LAS CALDERAS
En las calderas es muy importante la detección de fallas, porque eso permite evitar y
prevenir accidentes por causa de éstas. El análisis de fallas permite detectar a tiempo
problemas en las calderas, tales como: defectos de diseño, fabricación o ensamble de
piezas; errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio
de los equipos; malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante la
operación; por último ayuda a la selección y establecimiento de métodos no
destructivos como procedimientos de inspección de las diferentes partes de la
caldera.
A continuación se mencionan las causas más comunes de fallas en las calderas, así
como los daños más frecuentes.
Tabla 2. Causas de fallas en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)
CAUSAS PIROTUBULARES (% ) ACUATUBULARES (% )
Corrosión interna en los tubos 1.0 6.5
Corrosión externa en los tubos 3.0 3.5
Limpieza inadecuada 5.1 7.0
Materiales defectuosos 0.4 1.8
Fabricación defectuosa 0.6 4.5
Falta de normas de 21.0 23.0
mantenimiento
Fallas en la ejecución de 28.0 30.0
mantenimiento
Mala graduación del encendido 2.0 4.0
Mal control del nivel de agua 7.0 12.0
Inadecuado tratamiento de 26.5 7.0

9. agua
Expansiones y contracciones 0.4 0.6
Fallas en obras civiles 5.0 0.1
Tabla 3. Daños más frecuentes en las calderas. Adaptado de (ACERCAR, 2007)
CAUSAS PIROTUBULARES (% ) ACUATUBULARES (% )
Refractarios del hogar 6.2 0.3
Refractarios del quemador 12.3 9.0
Refractarios del cuerpo 3.0 6.0
Cuerpo de la caldera 4.0 1.6
Tubería de fuego 66.4 -------
Tubería de agua ------- 22.0
Pared tubos de agua ------- 6.0
Domo superior ------- 0.5
Domo inferior ------- 5.0
Sobrecalentador ------- 14.7
Tiro inducido tiro forzado 1.5/--- 12.0/16.0
Chimenea 0.2 5.0
Otros 6.4 1.9
6. NORMAS DE DISEÑO
La American Society of the Metal and Electricity (ASME) comenzó a crear códigos
para utilizar en el diseño y control de los recipientes que trabajan a presión.
La ASME VIII Div. 1, es la parte encargada de diseño, tiene distintas partes que
comprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas, conexiones, etc.
Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivel
mundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter) y la IVA
española UNE 9-300.
Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equipos este certificada
en cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante usa alguna de estas normas
para la fabricación y montaje. (COMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A,
2002).
7. CONTROLES
Los controles buscan garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones y
requerimientos especificados. En las calderas pequeñas; igual que en las calderas
grandes se disponen de sistemas y aparatos que permiten controlar la presión de
vapor, el nivel del agua, flujo de vapor, la presencia de llama, el flujo de combustible, y
el flujo de aire.
En la Figura 8 se muestran los principales lazos de control de una caldera.

10. Figura 8. Sistemas de control de una caldera. Adaptado de (SAXON, 2006)
Válvula principal de control de gas: permite aislar los dispositivos de control de gas
para facilitar las rutinas de reparación y mantenimiento.
Gobernador de presión de gas: Para garantizar una presión constante del gas de
entrada.
Presostato: Es un suiche de acción inversa accionado por la presión de vapor. Ver
Figura 9.

11. Figura 9. Presostato de acción inversa. Adaptado de (SAXON, 2006)
El principio de funcionamiento del presostato se basa en el balance de fuerzas entre
la ocasionada por la presión de un fluido y la fuerza ejercida por un fuelle y un sistema
de resortes. Cuando la presión de vapor alcanza el valor ajustado; la válvula del
presostato cierra el paso de gas dejando pasar solo una pequeña cantidad suficiente
para mantener la llama. De igual forma; cuando la presión de vapor cae; entonces se
da nuevamente paso al flujo de gas por medio de la válvula del presostato.
Corte por bajo nivel de agua y alarma: El nivel de agua es controlado
automáticamente por medio de un flotador el cual tiene también control sobre una
válvula de gas. El suiche de mercurio acoplado al flotador puede accionar una bomba
de agua, activar una alarma sonora y abrir o cerrar una válvula de gas. La
alimentación de agua a la caldera también puede hacerse en forma manual o por
medio de un inyector. En la figura 10 se muestra un tipo de control por flotador. En
esta se observa como una combinación de fuerzas entre el brazo del flotador y un
fuelle permite controlar el motor de la bomba y también operar la válvula de gas por
medio del presostato. El suiche de mercurio se inclina y acciona un contacto antes de
que el agua llegue a su nivel más bajo y así acciona una alarma. Por otro lado el
suiche de la bomba debe abrirse justo antes de que el agua llegue al nivel más alto.

12. Figura 10. Control de alimentación de agua. Adaptado de (SAXON, 2006)
Por razones de seguridad suele utilizarse un segundo sistema de alarma y corte de
gas. Este último no dispone del suiche de mercurio de alta.
Para el control de nivel de agua también se puede emplear un sistema de electrodos
que cierran un circuito por medio del agua. Un sistema de un solo electrodo es
mostrado en la figura 11. Si el nivel de agua; cae por debajo del electrodo; el circuito
se abre y la válvula solenoide se cierra para así activar una alarma.
Dispositivo de protección de llama: Consiste de un suiche termoeléctrico de falla de
llama que se muestra en la figura 11. El suiche puede ser accionado manualmente por
medio de un botón de reset. Dispone de una termocupla que cuando es calentada por
la llama; energiza un electroimán el cual mantiene cerrado el suiche. Cuando la llama
desaparece el suiche se abre debido a que el electroimán se desenergiza. Como este
dispositivo esta en serie con la válvula solenoide, esta impide el paso de gas.
Válvula de corte por baja presión: En calderas que no disponen de un control
eléctrico se suele utilizar una válvula de corte por baja presión justo antes de la
válvula principal de gas. El corte puede realizarse por una línea que puede ser
operada por el control de nivel bajo de agua.

13. Figura 11. Controles eléctricos con electrodo. Adaptado de (SAXON, 2006)
Válvula reductora del quemador con enclavamiento: En calderas con ignición
manual es necesario impedir que pase el gas si este no va a ser quemado. Esto
puede lograrse colocando una válvula piloto de enclavamiento y una válvula principal
de gas. Así la válvula piloto debe ser activada antes que la válvula principal. También
se puede usar una válvula de palanca giratoria del quemador con una válvula
reductora, ver figura 12.
Figura 12. Válvula reductora del quemador con enclavamiento. Adaptado de
(SAXON, 2006)

14. Válvula principal de vapor: Es una válvula de paso colocada directamente cerca a la
parte superior de la caldera.
Válvula de seguridad: Válvula cerrada cargada con un resorte, figura 13. Se coloca
en la parte posterior de la caldera cerca al tope. Está protegida de interferencia por
medio de un dispositivo de seguridad.
Figura 13. Válvula de seguridad cargada con resorte. Adaptado de (SAXON,
2006)
Manómetro: Consiste de un medidor de presión tipo Bourdon acompañado de un
sifón y una válvula.
Medidor de agua: Se trata de un tubo de vidrio sostenido entre la base y la cima de la
caldera por prensaestopas, figura 14. Dispone de válvula de vapor, válvula de agua y
una válvula de drenaje.
Inyector: Es un dispositivo que alimenta el agua hacia la caldera por medio de la
succión creada cuando el vapor pasa a través de una boquilla. El sistema se pone en
operación abriendo la válvula cheque de alimentación, la válvula de succión y luego la
válvula del inyector de vapor en forma rápida y completa. Luego de que el inyector se
coloca en funcionamiento este puede ser controlado solamente por la válvula de
vapor, ver figura 15.

15. Figura 14. Medidor de nivel de agua. Adaptado de (SAXON, 2006)

16. Figura 15. Inyector. Adaptado de (SAXON, 2006)
También se puede utilizar una motobomba como “stand-by”.
Control automático de alimentación: Este puede formar parte del control de bajo
nivel del que se ha hablado.
Bomba de alimentación: Puede ser operada manualmente o por medio de un control
eléctrico tal como se muestra en la figura 16. En este último caso el control de nivel de
agua se debe ajustar para mantener el nivel en la mitad del medidor de vidrio.

17. Figura 16. Suministro de agua de la caldera. Adaptado de (SAXON, 2006)
8. INSTALACIÓN
Se debe consultar el manual de instalación de la caldera antes de hacer algún trabajo.
La caldera debe ser montada en un espacio nivelado y firme. Se debe dejar un
espacio adecuado para la manipulación cómoda de todos los equipos auxiliares.
La chimenea debe estar fijada con un diversor de tiro. El diversor de tiro facilita la
circulación de gases dentro de la cámara de combustión al establecer un equilibrio de
fuerzas entre los humos calientes y el aire, facilitando así la circulación de los humos y
evitando contrapresiones ocasionadas por corrientes de viento contrarias al flujo de
los gases (Ministery of EconomicDevelopment of New Zealand, 2007)
9. INSPECCIONES
Periódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema de drenaje,
presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo de gas, pérdidas de
corrientes de aire en la chimenea, operación del control de llama y válvula de corte
por baja presión. Además se debe realizar un mantenimiento rutinario que incluya la
presión de trabajo de la caldera y el sistema que mantiene el nivel del agua.
La válvula de seguridad también debe ser chequeada frecuentemente para asegurar
que la válvula pueda operar libremente y no está atascada.

18. 10. QUEMADORES Y SUMINISTRO DE AIRE DE COMBUSTION
Los quemadores se seleccionan según el rango de presión de operación, tipo de
combustible, eficiencia. Además se deben tener en cuenta las normas de
construcción.
Entre los principales tipos de quemadores encontramos: quemadores sin mezcla
previa o llama de difusión, quemadores de combustóleo, quemadores a presión tipo
JET, quemadores de copa rotativa, quemadores para gas (baja y alta presión) y
quemadores tipo dual.
Los quemadores deben funcionar con un exceso de aire que depende del combustible
empleado. Para el carbón se debe emplear un exceso de aire que oscila entre el 20%
y el 40%, los derivados del petróleo entre un 15% y 25% y el gas entre el 5% y el
15%.
11. PANORAMA DE LOS GENERADORES DE VAPOR EN EL MEDIO LOCAL
Uno de los aspectos que más impacta en la utilización de las calderas en el Valle del
Aburrá, es el combustible que emplean. Antes del año 2001 el crudo de castilla y el
carbón tenían gran participación en la canasta energética. Con la masificación del gas
natural y las regulaciones ambientales; el crudo de castilla fue gradualmente
desplazado.
No obstante; aún se utiliza el carbón por su bajo costo, a pesar del impacto ambiental
que implica su uso y los mayores costos asociados a su utilización. Otros
combustibles que se pueden utilizar en las calderas son el ACPM, Fuel Oíl, Diesel
GLP y biomasa principalmente.
Otro aspecto que no se tiene mucho en cuenta en las calderas del medio, es la
realización de análisis de los gases de combustión dentro de las tareas de
mantenimiento preventivo y normas establecidas (Presidencia de la república 1989),
lo que no permite conocer a ciencia cierta la eficiencia real de la caldera, lo que
implica en muchos casos el desperdicio de la energía generada por estas y el impacto
negativo al medio ambiente.
El uso de las calderas pirotubulares para la generación de vapor en los diferentes
sectores de la industria y de la salud es cada vez mayor, es el caso de los hospitales
del medio, como el Hospital Pablo Tobón Uribe que utiliza el vapor en la lavandería
para planchar y desinfectar los tendidos de las camas, las piyamas y las blusas de los
médicos, en la cocina para la preparación de los alimentos y en las autoclaves para la
desinfección de instrumental quirúrgico y otra clase de ropa.
La eficiencia de la caldera debe ser determinada frecuentemente. Esta se ve afectada
por factores como: diseño de la caldera, pérdidas internas, transferencia de calor a
través de las paredes de la caldera, pérdidas de calor en los gases de escape y en las
cenizas, equipos auxiliares recuperadores de calor, controlabilidad de las condiciones
variables y tipo y características del combustible utilizado (PALACIO,1990). La
eficiencia también se ve afectada por factores de altitud (Casas, 2004).
12. USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA
Tal como ocurre en el resto de máquinas térmicas; también se puede adelantar
programas de gestión energética en las calderas de vapor. Las principales acciones
están encaminadas al aprovechamiento máximo del calor transferido por el proceso
de combustión. En este aspecto toma importancia la recuperación de calor sensible

19. de los productos de combustión, para lo cual se dispone de los siguientes equipos
auxiliares de recuperación de calor:
Precalentador de aire: Trabaja con los restos de vapor que entra al condensador y le
transfiere calor al aire tomado de la atsmofera antes de llevarlo a la caldera. Se
consigue así eliminar parte de la humedad contenida en el aire al llevarlo de de 90 °F
a 120 °F.
Paredes de agua: aprovecha la radiación de los gases de la caldera y la convección
con las paredes.
Sobrecalentador: Consiste en el aumento de la temperatura del vapor por medio de
la llama directa.
Economizador: consiste en un intercambiador de calor que actúa como
precalentador de agua de alimentación por medio de los productos de la combustión.
Calentador de aire: calentamiento del aire de combustión por medio de los productos
de la combustión.
13. CONCLUSIONES
El vapor es muy usado en el sector industrial, comercial y de salud, especialmente
para el calentamiento de procesos, en la generación de potencia, generación de
energía, en la calefacción de espacios y para la esterilización de instrumental
quirúrgico.
Las calderas se clasifican principalmente en dos clases: pirotubulares, cuando los
humos calientes circulan por tubos y el agua se encuentra alrededor de estos y
acuotubulares, cuando el agua circula por tubos y los humos calientes están alrededor
de estos.
Las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de procesos y
en aplicaciones industriales y comerciales. Manejan presiones de operación de 0-20
bares (0-300 PSIG)
Las calderas acuotubulares son utilizadas para la generación de energía en la
industria, son de mayor tamaño, peso y costo que las pirotubulares. Manejan altas
presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG).
Las calderas tanto pequeñas como grandes deben poseer sistemas y aparatos que
permiten controlar la presión de vapor, el nivel del agua, la presencia de llama, el flujo
de combustible, y el flujo de aire, para así garantizar el funcionamiento de la caldera
bajo las condiciones de seguridad y requerimientos especificados.
Periódicamente se debe hacer inspección del suministro de gas, sistema de drenaje,
presión del quemador, color y ubicación de la llama, flujo de gas, pérdidas de
corrientes de aire en la chimenea, operación del control de llama y válvula de corte
por baja presión; además para garantizar el funcionamiento optimo de la caldera y
evitar explosiones y daños por falta de agua y sobrepresiones en el sistema, se debe
realizar un mantenimiento rutinario que incluya la presión de trabajo de la caldera y el
sistema que mantiene el nivel del agua.
14. BIBLIOGRAFIA
COMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A. (2002). Calderas. Medellín:
Compañía Suramericana de Seguros s.a. 13.

20. MINISTERY OF ECONOMIC DEVELOPMENT, NEW ZEALAND. (agosto 20 de 2002).
of the industry publications, Natural Draught Flueing Guide.
http://www.energysafety.govt.nz).