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.