La caldera de la ficha
- La caldera de los pasos 2 y 3 se arma con la ficha del paso 1: potencia, presión de diseño, consumo de gas, eficiencias de catálogo, agua, superficies, bomba, tanque, equipos y sitio.
- Lo que la ficha no trae se toma de la caldera de referencia y se marca «ref.»: el tamaño escala con la potencia, las presiones con la de diseño y la envolvente con el volumen.
- A fuego alto se calibra con el consumo de gas; si no está, con la eficiencia de catálogo a 100 %; si tampoco, con la chimenea. Con dos o más eficiencias a carga parcial se ajusta la forma de la curva.
- La de referencia: pirotubular de 300 BHP, espalda húmeda, 150 psig; 4 695 kg/h desde y a 100 °C; 2 943 kW útiles. El modelo da 82,0 · 81,6 · 80,9 · 80,1 % a 25 · 50 · 75 · 100 % de fuego frente a 82,2 · 81,8 · 81,0 · 80,2 % del catálogo.
- Acepta de 50 a 1 500 BHP y hasta 17,2 bar(g) de diseño.
La física
Combustión de gas natural modelado como metano, con entalpías de Shomate (NIST-JANAF). El intercambio funciona como un evaporador, con UA proporcional al caudal de gases elevado a un exponente ajustado al catálogo:
T_chimenea = T_sat + (T_llama − T_sat) · e^(−UA / C_gases)
La presión sale del balance de energía almacenada en el agua y el metal (Åström y Bell, 2000), con dos zonas de agua: arriba, a saturación; abajo del hogar, la zona donde entra la alimentación y se mezcla con la circulación natural (TT-104):
C · dP/dt = Q_útil − (ṁ_alim + ṁ_circ) · (h_f − h_zona baja) − ṁ_vapor · h_fg
El nivel suma el agua y las burbujas bajo la superficie. La humedad del vapor crece con la velocidad con que el vapor sale del agua: a menor presión cada kilo ocupa más volumen, salta más agua y las gotas se van con el vapor. Propiedades con IAPWS-IF97.
La sala de calderas
- Tanque atmosférico calentado con vapor (TIC-102 y ZT-103), sin calentar, o desaireador presurizado (PIC-103 y PT-103, con venteo).
- Balance de masa y energía del tanque: condensado, reposición por nivel, vapor de calentamiento, flash de la purga y pérdidas. Sin condensado y sin calentar, el tanque queda a la temperatura de la reposición; calentado, el vapor de la caldera lo lleva a la consigna. El balance se ve bajo el dibujo.
- Alimentación modulante de tres elementos con válvula de control (ZT-102) o todo-nada: LSL y LSH arrancan y paran la bomba (MS-102) y el agua fría entra a pulsos.
- Purga continua automática por conductividad (AIC-103) o manual; recuperación con tanque flash al tanque de alimentación o con intercambiador que calienta la reposición.
- Economizador (TT-105 y TT-106): baja la chimenea unos 100 K y sube la eficiencia unos 4 puntos. Sin caudal el agua hierve y, al volver la bomba, golpe de ariete.
- Sin válvula reductora: el vapor sale a la presión de la caldera y cada usuario reduce en su punto de uso. Si la caldera baja de la presión del usuario más exigente, el proceso recibe menos vapor.
Fallas con daño
- Bajo nivel con el corte pegado: el metal que el agua deja al descubierto se acerca a la temperatura de los gases y se daña por fluencia (Larson-Miller con C = 20 y P = 17 500; vida ∝ presión⁻⁴). Rompe tubos o aplasta el hogar hacia adentro: el hogar trabaja a presión externa.
- Agua sobre metal a más de 480 °C: se evapora de golpe (explosión de vapor). Bajo 480 °C, choque térmico.
- Gas que pasa con el quemador apagado: desde 5 % en volumen en el hogar (límite inferior de explosividad del metano) el encendido explota; la prepurga lo barre si no está puenteada.
- Presostato engañado y válvulas de seguridad trabadas: la envolvente cede a 1,7 veces la presión de diseño.
- Incrustación que crece: el metal del hogar se calienta hasta colapsar.
- Los límites (480 °C, 1,7 veces la de diseño, la ley de fluencia) son supuestos del simulador para mostrar el mecanismo y el orden de magnitud del tiempo, no datos de un material o de un código.
El motor
- Solo ve lo que miden los instrumentos (con ruido, retardo y fallas) y los datos de placa de la ficha.
- Ventanas de 5 min; con alimentación todo-nada, ciclos completos de la bomba. Guarda un minuto para la línea base solo si la caldera está estable.
- Línea base: curva cuadrática contra la carga y dispersión robusta (σ por mediana). Desviación: promedio móvil del residuo en σ; exige 3,5 σ y una diferencia que importe en planta.
- Corrige con física antes de concluir: el exceso de aire sobre la chimenea, la purga, y el agua o la energía acumuladas en los transitorios.
- Reglas de seguridad: corte por bajo nivel que no actúa, gas sin llama, encendido sin prepurga, sobrepresión y economizador que hierve.
- Cada conclusión lleva su etiqueta (hecho, inferencia o hipótesis) y la prueba que la confirma o la acción inmediata.
Simplificaciones y fuentes