Calderas Pirotubulares: Funcionamiento y Aplicaciones

¿Qué son las calderas pirotubulares?
diciembre 15, 2021
Las calderas pirotubulares son un tipo de caldera industrial, en la cual, los
vapores de la combustión pasan por dentro de tubos rodeados por líquido,
generalmente agua. Este líquido absorbe el calor de los gases de combustión para
calentarse, y de esta manera, obtener vapor, que es utilizado en otros procesos
industriales dentro de una planta.
Caldera pirotubular instalada en planta industrial. Imagen
de bombascentrifugas
En este artículo describiremos a las calderas pirotubulares, su funcionamiento, los
tipos de calderas pirotubulares y sus principales aplicaciones.
Tabla de contenidos
1.
✔¿Qué son las calderas pirotubulares?
2.
✔¿Cómo funcionan las calderas pirotubulares?
1.
✔Principales aplicaciones de las calderas
pirotubulares
3.
✔Partes que conforman a una caldera
pirotubular
4.
✔Tipos de calderas pirotubulares
¿Qué son las calderas pirotubulares?
Caldera pirotubular. Imagen de byworth
Las calderas pirotubulares son un tipo de caldera muy utilizada desde hace
muchos años. Se trata de una carcasa que se encuentra llena de agua. Esta agua
rodea a un grupo de tubos, en los cuales, por su interior pasan los gases de
combustión de la caldera a altas temperaturas, de modo, que el agua se calienta y
se genera el vapor que sale por un tubo de descarga.
En las calderas pirotubulares, los gases de combustión pasan por el interior de los
tubos que se encuentran en contacto con el agua, elevando la temperatura de esta
hasta lograr el punto de ebullición, y la evaporación del agua, para lograr la
obtención del vapor.
Este tipo de calderas tienden a ser bastante robustas, resistentes y económicas, lo
que les otorga un lugar privilegiado en la selección de calderas, por parte de
ingenieros químicos y de procesos. Estas calderas industriales, integran en el
mismo cuerpo a la cámara de vapor, lo que les permite asumir picos en la
demanda de vapor, por lo tanto, son muy estables para la producción del vapor.
Las calderas pirotubulares cuentan con punto máximo de operación a una
presión entre 25 y 30 bar y una temperatura de 300 Celsius (condición de vapor
sobrecalentado) y pueden generar hasta 55 t/h (toneladas por hora) de vapor.
¿Cómo funcionan las calderas pirotubulares?
Diagrama de flujo de funcionamiento de una caldera pirotubular. Imagen
de researchgate
El funcionamiento de las calderas pirotubulares es bastante sencillo, ya que se
basa en el calentamiento del agua que se encuentra almacenada en un tanque
dentro de la caldera. Dentro del tanque se encuentran múltiples tubos por los
cuales se hace pasar los gases calientes de la combustión de la caldera.
Estos tubos se encuentran hechos de un material conductor que facilita
la transferencia de calor entre los gases de combustión y el agua, lo que permite
que el líquido aumente su temperatura hasta sobrepasar el punto de ebullición,
generando la producción de vapor de agua.
El vapor de agua es desalojado hacia la cámara de vapor, que va elevando su
presión hasta obtener la cantidad requerida para utilizarse en procesos industriales
aguas debajo de la caldera.
Principales aplicaciones de las calderas pirotubulares
Las calderas pirotubulares son muy recomendables para la generación de vapor y
por lo general, son utilizadas en un amplio espectro de industrias para diferentes
aplicaciones, entre las cuales podemos destacar:
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Calefacción
Esterilización
Aplicación en industrias alimenticias
Limpieza a vapor
Extracción de petróleo
Obtención de agua caliente y vapor
Partes que conforman a una caldera pirotubular
Funcionamiento de una caldera pirotubular. Imagen de electrical4u
Las calderas pirotubulares se encuentran conformadas por varios elementos, los
cuales describiremos a continuación:
 Carcasa: Estructura exterior de la caldera, cuyo interior contiene el tanque
de agua y el hogar de la caldera.
 Hogar: Zona donde se realiza la combustión.
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Manómetro: Instrumento de medición de presión que, generalmente, se
encuentra ubicado en la parte superior de la caldera (carcasa).
Indicador de nivel de agua: Permite verificar el nivel de agua dentro del
tanque de la caldera. Suele encontrarse en la parte superior de la carcasa.
Válvula de seguridad: Esta válvula se abre cuando la presión dentro de la
caldera excede la resistencia o límite del equipo, y evita que la caldera
estalle por exceso de presión. Las calderas pirotubulares, por lo general,
cuentan con dos válvulas de seguridad.
Válvula de parada de vapor: Como su nombre lo indica, permite controlar
el vapor para mantenerlo en los límites deseados.
Válvula de retención de alimentación: Su función es permitir la
alimentación de agua a la caldera, y a la vez, evitar que el agua salga del
tanque de la caldera.
Caja de humos: Esta zona está conformada por los tubos conductores por
donde pasan los gases de combustión, que luego son dirigidos a la
chimenea.
Chimenea: Es por donde los gases de combustión salen de la caldera.
Cámara de vapor: Es donde se almacena el vapor de agua, que luego es
dirigido por tuberías fuera de la caldera.
Sobrecalentador: Eleva la temperatura del vapor saturado, hasta alcanzar
la temperatura ideal de operación requerida.
Economizador: Permite recuperar el calor generado en los tubos para
dirigirlo a la alimentación de agua y así, aumentar la eficiencia térmica.
Precalentador de aire: Instrumento que permite mejorar el rendimiento de
intercambio de calor dentro de la caldera y, de este modo, reducir el
consumo de energía.
Tipos de calderas pirotubulares
Básicamente, existen tres tipos de calderas pirotubulares, las cuales son:
1. Cochran:Se trata de una caldera de orientación vertical. En su interior,
cuenta con múltiples tubos y realiza una combustión interna, la cual, es de
circulación natural. Los tubos múltiples facilitan el transporte de los gases
de combustión a altas presiones. Posee una rejilla en donde se lleva a cabo
la combustión y una cámara de recolección de residuos de combustión.
Estas calderas utilizan carbón, petróleo o gas como combustible.
2. Locomotora:Este tipo de caldera tiene una orientación horizontal, y al igual
que la anterior, cuenta con combustión interna y circulación natural.
Internamente, su funcionamiento y operación es idéntico al de la caldera
Cochran. En su interior encontraremos múltiples tubos rectos, una cámara
de combustión interna ubicada en la parte posterior de la caldera y una
cámara de humo ubicada en la parte delantera de la caldera. Estas
calderas suelen operar a presiones de hasta 300 psia.
3. Lancashire:Esta caldera pirotubular es de orientación horizontal y
estacionaria. Por lo general, se encuentra ubicada dentro de una barrera de
mampostería y está compuesta por tubos en forma de cono. Además,
cuenta con un arco de ladrillos ubicado después del horno para favorecer el
flujo de gases calientes
Cómo instalar Tubos de Fuego en
Calderas Pirotubulares?
YERSCOMMERCE S.A.
Siempre a Tiempo, Siempre Bien
14 de agosto de 2020
El Sistema Integrado de Gestión de Yerscommerce S.A., contempla materializar las
experiencias diarias en vitácoras de libre acceso que permitan a nuestros colaboradores
conocer, ampliar y pulir cada una de ellas. Para nosotros es muy importante abrir
caminos que nos conduzcan a la excelencia todos los días.
Por este motivo les compartimos este procedimiento fruto del paso del tiempo y que
contiene detalles que probablemente no los encontremos sino solo cuando se transmiten
oralmente entre profesionales de altísima confianza.
Como parte de uno de nuestros trabajos de mantenimiento se realizó el reemplazo de los
tubos de fuego con el fin de readecuar, rehabilitar, operar y garantizar la confiabilidad
de la operación del equipo.
Previamente habíamos analizado muy bien las normas disponibles, esto garantizaba que
estemos cubiertos en cuanto a seguridad, precisión y excelencia en el trabajo:
·
ASME BPVC Section I - Parte PTF Requisitos para Calderas Pirotubulares
·
NBIC National Board Inspection Code Part 3 – Repairs and Alterations
·
API 660 Shell-and-tube Heat Exchangers for General Refinery Services
· ASTM A192 Specification for Seamless Carbol Steel Boiler For High-Pressure
Service
La instalación de los tubos de humo esta dividida en 3 etapas: ubicación, expandido y
sellado de los tubos.
PFT-12.2 Fijación de tubos (De acuerdo a ASME BPVC I)
PFT-12.2.1 La Fig. PFT-12.1 Ilustra algunos tipos aceptables de fijación de tubos. Estas
conexiones deben ser:
(a) Expansión y moldura como en las ilustraciones (a), (b) y (d)
(b) Expansión, moldura y soldadura de sello como en la ilustración (c)
(c) Expansión y soldadura de sello como en la ilustración (e)
(d) Soldadura, como en las ilustraciones (f) y (g)
Los extremos de los tubos fijados mediante expansión y moldura están sujetos a las
disposiciones especificadas en PFT-12.2.1.1 a PFT-12.2.1.3.
PFT-12.2.1.1 Cuando no se emplea bisel o ranura, el tubo debe extenderse más allá de
la lámina tubular y no debe estar a menos de una distancia equivalente al espesor del
tubo o 1/8 pulg. (3 mm), lo que sea mayor, ni más de dos veces el espesor del tubo o 1/4
pulg. (6 mm), lo que sea menor [vea la Fig. PFT-12.1, ilustración (e)].
PFT-12.2.1.3 En los tipos de fijaciones soldadas representados en la Fig. PFT-12.1,
ilustraciones (c) y (e), los tubos deben expandirse antes y después de la soldadura. En
los tipos representados en las ilustraciones (f) y (g), los tubos pueden expandirse.
PFT-12.2.2.3 Después de realizar la soldadura de sello como se muestra en la Fig. PFT12.1, ilustraciones (c) y (e), una sola prueba hidrostática de la caldera será suficiente.
PFT-12.2.5 Los bordes con filo en los orificios para tubos deben eliminarse a ambos
lados de la lámina con una lima u otra herramienta.
S2.13.8 Instalación de Tubos (De acuerdo a NBIC – PART - 3)
a) Cuando los tubos de una caldera o chimenea son reemplazados, la MAWP de la
caldera no debe exceder la MAWP (Maximum Allowable Working Pressure - Máxima
Presión de Presión de Trabajo) del tubo o la chimenea de acuerdo a la tabla S2.13.7.
b) Los extremos de los tubos en la calderas deben ser expandidos y rebordeados, o
expandidos y soldados alrededor del borde del tubo. Ver Figura S2.13.8. Los extremos
de los tubos fijados por expandido y soldadura estarán sujetos a la siguiente disposición:

Cuando no se ha biselado o ranura, la distancia de la proyección del tubo en la lámina
tubular no debe ser menor al espesor del tubo, ni mayor a dos veces el espesor del
tubo. Ver Figura S2.13.8
c) Los bordes afilados de los orificios del tubo se quitarán en ambos lados de la placa
con una lima u otra herramienta.
Selección del Método de Instalación de los Tubos (Caso
Práctico)
Para la caldera asignada de acuerdo a la revisión de los archivos históricos del equipo,
de las confirmaciones levantadas en las inspecciones de campo y de la información de
partida del proyecto, se ha definido que la tubería a ser utilizada tendrá las siguientes
especificaciones:
·
Tubería sin costura ASTM-A192 (SA-192).
·
Diámetro Externo: 3 in.
·
Espesor de la Pared: 0,203 in. [Gauge 6]
Debido al espesor del tubo seleccionado el rebordeado de los mismos queda descartado
como método de fijación, por lo que el método seleccionado será expansión y soldadura
de sello como en la ilustración (e) de la figura PFT-12.1.
Las distancias a las que se fijaran los tubos se muestra en la Figura 1:
Figura 1. Distancia de extensión del tubo
Cálculo del Rango de Expansión
La expansión de tubos es un proceso de deformación mecánica en frío para comprimir
el diámetro exterior del tubo contra la lámina tubular de la caldera. Para asegurar una
unión de tubo adecuada, la pared del tubo debe reducirse en un porcentaje
predeterminado. La siguiente tabla muestra la reducción de la pared del tubo con la que
se procederá a fijar los tubos en la lámina tubular.
Tabla 1. Cálculo de Rango de Expansión
· A Orificio Lámina Tubular: Medida de la perforación realizada en la lámina
tubular. Esta perforación es 1/32” mayor al diámetro nominal del tubo, A = B + 1/32”.
· B Diámetro Exterior del Tubo: Medida del diámetro exterior de tubo adquirido de
acuerdo a tolerancia indicada en ASTM-192.
· C Espaciamiento: Espacio que se tiene entre el diámetro exterior del tubo y la
lámina tubular que permite ingresar el tubo al interior de la caldera.
· D Diámetro Interior del Tubo: Medida del diámetro interior de tubo adquirido de
acuerdo a tolerancia indicada en ASTM-192. Se obtiene D = B – 2x0,203; donde 0,203
es el espesor del tubo de adquirido en pulgadas.
· E Diámetro Interior del Tubo Contacto Metal-con-Metal: Medida del diámetro
interior del tubo al expandirse inicialmente y entrar en contacto el diámetro exterior del
tubo con la lámina tubular.
· F Diámetro Interior del Tubo después de ser Expandido: De acuerdo a la API 660
en el apartado 9.10.1 tomamos que la máxima reducción en porcentaje de la pared del
tubo será del 8%. Se obtiene F = E + 0,203 x 8% x 2; donde 0,203 es el espesor del tubo
de adquirido en pulgadas.
·
G % de reducción de espesor: Es la verificación de la reducción del espesor
El diámetro interior del tubo luego de ser expandido podrá estar en el rango de 2,636 in
hasta 2,656 in lo que dependerá del equipo de expansión al tener las medidas fijas para
cada espesor de tubo y la forma de realizar el expandido.
Procedimiento de Expansión
a) Se utilizará el expansor recto para calderas con un rango de expansión mínimo de
2,437” y un máximo de 2,750” para láminas tubulares entre 1/2” y 7/8”. El expansor
será operado por un motor neumático angular con un torque de 150-350 ft-lbs de
acuerdo al espesor del tubo a ser utilizado.
b) Eliminar todo el óxido, cascarilla de laminación y otras materias extrañas del interior
y exterior del tubo. La materia extraña en el interior del tubo quedará incrustada en la
pared del tubo y puede causar descamación o desgaste de los rodillos y el mandril. La
cascarilla o la arena que quedan en la pared exterior del tubo pueden dañar la lamina
tubular (espejo) y perjudica la junta hermética que se realiza a presión. La limpieza de
los extremos de los tubos se realizará con un cepillo de alambre o una grata metálica en
forma de copa o disco. Se debe asegurar que en los asientos de los tubos se han
eliminado las imperfecciones radiales o longitudinales como se muestra en la Figura 2.
Asegurándose de que se eliminen todos los materiales extraños como aceite, grasa,
óxido o simplemente suciedad.
Figura 2. Imperfecciones en Lámina tubular
c) Ingresar los tubos al interior de la caldera cuidando que los mismos no dañen la
lámina. En algunos casos, será necesario forzar un tubo en el orificio de la lámina
tubular, esto debe hacerse con extremo cuidado y si es excesiva la fuerza aplicada se
debe saltar el tubo que intentar forzarlo con un martillo. Si el extremo de un tubo está
doblado o dañado antes del expandido deberá ser reemplazado para evitar que se
produzca una junta con fugas.
d) Una vez que se han ingresado todos los tubos se procederá con la alineación de
acuerdo a las distancias indicadas en la selección del método de fijación de los tubos de
este documento.
e) Antes de utilizar el expansor en un nuevo tubo se inspeccionará para eliminar el
óxido, la suciedad, la grasa y otras materias extrañas asegurando de que los rodillos y
mandriles estén libres y en buenas condiciones.
f) Antes de ingresar el expansor en el tubo, se colocará ligeramente lubricante que será
la mezcla de aceite SAE40 y grafito en el cuadrante inferior del tubo en la parte donde
el expansor realizará el giro.
g) El expansor del tubo, con el mandril retirado, se inserta en el tubo para expandirlo,
colocándolo de manera que el anillo esté a unos 5-6 mm del extremo final del tubo.
h) Se insertará el mandril que será girado mediante el uso del motor neumático, el cual
mediante el movimiento y presión por parte del instalador acerca los rodillos y
expande las paredes del tubo sobre la lámina tubular(espejo) mediante fricción. Se debe
mantener presionando hacia la lámina tubular hasta que el tubo se haya expandido por
completo. El expansor deberá girarse a una velocidad proporcional al tamaño del tubo,
el calibre y la longitud del asiento del tubo, para lo cual se utilizará en este caso el
torque más alto que permite la herramienta que proporcionará un trabajo en frío seguro
sin cristalización ni descamación del metal en el tubo. Se deberá verificar durante la
operación que la velocidad configurada mantenga un mínimo deslizamiento del mandril
y no se tenga un excesivo calentamiento de los rodillos.
Figura 3. Expansor y Mandril
i) Una vez alcanzada el grado de expansión requerido, el mandril debe ser girado en
sentido opuesto o reversa para retirarlo y repetir el procedimiento nuevamente con el
siguiente tubo.
Figura 4. Proceso de Expansión