Las calderas de vapor son equipos que transforman el agua de estado líquido a vapor, saturado o sobrecalentado, mediante la transferencia de calor proveniente de la combustión de un combustible. Las calderas tienen múltiples aplicaciones en el sector industrial, como la producción de alimentos, medicamentos, papel, petróleo y electricidad, etc.
Para que una caldera de vapor funcione correctamente, necesita recibir un suministro constante y adecuado de agua que luego será evaporada. Esta agua proviene de un tanque o calderín y es impulsada por una bomba hacia la caldera. Estas bombas se conocen como bombas para calderas de vapor o bombas de alimentación de agua de calderas.
Las bombas para calderas de vapor deben operar a altas presiones para vencer la presión de la caldera, y en ocasiones se solicitan para vencer la requerida para las pruebas hidrostáticas. A su vez deben operar a altas temperaturas, ser resistentes a la corrosión y adaptarse a las variaciones de demanda de vapor. En este artículo te explicaremos algunos aspectos importantes sobre las bombas para calderas de vapor.
Generalmente, estas bombas operan en el rango comprendido entre 150 psi y 600 psi para calderas de 50 BHP a 1000 BHP (BHP significa caballos de caldera o también CC).
Tipos de Bombas para Calderas
- Bombas centrífugas:
son las más utilizadas por su simplicidad y eficiencia. Consisten en un impulsor que gira dentro de una carcasa y genera una fuerza centrífuga que impulsa el agua hacia la salida. Pueden ser de una o de varias etapas, según el número de impulsores que tengan. Las bombas centrífugas pueden manejar caudales elevados y presiones moderadas. Las más comunes son las multietapas verticales, fabricadas principalmente con lamina de acero inoxidable, buen costo inicial y muy útiles en espacios reducidos y las horizontales, fabricadas principalmente en fundición y suelen durar más que las multietapas verticales.
- Bombas de turbina regenerativa:
son bombas centrífugas especiales que tienen un disco con ranuras en el impulsor, que actúan como pequeñas turbinas que aumentan la presión del agua. Estas bombas son adecuadas para caudales bajos y presiones altas, así como para condiciones de bajo NPSH (altura neta positiva de succión). Estas son de nuestras bombas preferidas para calderas, pero su costo inicial puede ser un poco elevado.
- Bombas de accionamiento por vapor:
son bombas alternativas que funcionan con la energía del vapor como fluido motor. Tienen un pistón que se mueve dentro de un cilindro por la acción del vapor, y que está conectado a otro pistón o émbolo que actúa sobre el agua en el extremo líquido. Estas bombas son flexibles y pueden operar en cualquier punto de presión y flujo dentro del rango del diseño.
Se recomienda que el material del impulsor y/o cuerpo de la bomba sean en bronce o acero inoxidable. El elemento sellante puede ser un sello mecánico o una empaquetadura, compatible con la temperatura y los químicos empleados en el tratamiento del agua.
¿Selección de la bomba adecuada para su caldera?
Cada sala de máquinas es diferente y no se recomienda sobre o sub dimensionar la bomba, debido a múltiples factores. Para seleccionar la bomba adecuada, se debe tomar en consideración:
- La capacidad de evaporación de la caldera o factor de evaporación, que se calcula multiplicando el BHP por un factor que depende del tipo de caldera y del vapor generado.
- El caudal de agua requerido por la caldera, que se calcula multiplicando la capacidad de evaporación por un factor que depende del tipo de bomba y del método de control de alimentación de agua (ON/OFF ó Modulante)
- La presión diferencial que debe vencer la bomba, que se calcula sumando la presión de operación de la caldera, la pérdida por fricción en las tuberías y válvulas, y un margen de seguridad.
- El NPSH disponible y requerido por la bomba, que son indicadores del riesgo de cavitación o formación de burbujas en el líquido que pueden dañar el impulsor. El NPSH disponible depende de la presión y temperatura del agua en el tanque o calderín, y el NPSH requerido depende del diseño y velocidad de la bomba.
- La potencia consumida por la bomba, que se calcula multiplicando el caudal por la presión diferencial y por un factor que depende del tipo y eficiencia de la bomba.
- La temperatura del agua a bombear, que suele encontrarse entre 85 y 90 C, sin embargo, existen picos que superan dichas temperaturas.
- El tipo y calidad del agua el agua que se suministra a la caldera, debe tener un tratamiento químico adecuado, para evitar la formación de incrustaciones, corrosión y depósitos en el sistema. El tipo y calidad del agua influyen en la selección del material del cuerpo y del impulsor de la bomba, así como del sello mecánico o empaquetadura.
Una vez determinado estos parámetros, se puede seleccionar la bomba más adecuada consultando las curvas características proporcionadas por los fabricantes. Estas curvas muestran la relación entre el caudal, la presión diferencial, el NPSH requerido y la potencia consumida por cada modelo de bomba.
Una estimación rápida del caudal es, que cada BHP de vapor requiere 1/10 de gpm. Por ejemplo, una caldera de 500 HP, requiere aproximadamente una bomba de 50 gpm. Una manera más precisa para saber el caudal es por medio de la siguiente formula BHP x 34.5 ÷ 8.337 ÷ 60 x 1.5 = gpm. Para 500 BHP de vapor obtenemos 52 gpm.
Para el cálculo de la presión acorde a ASME, podemos utilizar la presión de disparo de la válvula de seguridad x un 3% + la caída de presión de la tubería y accesorios. Por ejemplo, para una válvula de seguridad de 150 psig, tenemos que: 150 x 1.03 + 5 psig de caída de presión = 160 psig requeridos.
Diseños comunes para agua de alimentación de calderas
Existen dos diseños comunes de bombeo para alimentación de calderas
- Alimentación directa: es un sistema de bombeo por caldera y pueden operar de forma intermitente por medio de un control ON / OFF o Modulante (funcionamiento continuo de la bomba mediante de una válvula de control de caudal). Con este último, la selección da como resultado una bomba de menor caudal.
- Grupos de presurización: varias bombas se conectan a un manifold de la cual se conecta la alimentación de cada caldera, controlando su caudal mediante una válvula de control de caudal.
¿Qué beneficios tiene usar una bomba adecuada para su caldera de vapor?
- Mejorar la eficiencia energética del sistema: al suministrar el agua a la presión óptima, se reduce el consumo de combustible y se aprovecha mejor el calor generado.
- Aumentar la vida útil del generador de calor: al evitar las fluctuaciones de nivel y presión en el interior de la caldera, se previenen los daños por sobrecalentamiento, golpes térmicos o explosiones.
- Optimizar el rendimiento del proceso industrial: al garantizar un suministro constante y adecuado de vapor a los equipos que lo requieren, se mejora la calidad y productividad del proceso.
- El seleccionar la bomba y los materiales adecuados, alargaran la vida de su bomba, los mantenimientos y posibles paradas de su sala de caldera. Por ejemplo, la temperatura los sellos mecánicos, donde sellos de NBR o Buna soportan 107 °C, EPDM 176 °C y Viton 204 °C.
Sistema de Bombeo de Respaldo
Las bombas para calderas de vapor son elementos esenciales para el funcionamiento óptimo y seguro de las calderas. Por ello, se debe realizar una selección cuidadosa y un mantenimiento periódico de las mismas. A su vez es de suma importancia tener una bomba de respaldo, ya que, si esta se detiene, todo es sistema se detiene.
Esperamos que este artículo te haya sido útil para conocer más sobre las bombas para calderas de vapor. Si tienes alguna duda o comentario, no dudes en contactarnos.
(AC, comunicación personal, 2023).
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