Métodos de Detección del Nivel de Agua en Calderas de Vapor

La aplicación de controles y alarmas de nivel, más una visión general de diferentes métodos de detección de nivel, incluyendo controles tipo flotador, sondas de conductividad y dispositivos de capacitancia.

Métodos de Detección del Nivel de Agua en Calderas de Vapor

En una caldera generadora de vapor hay tres aplicaciones claras para dispositivos de monitoreo de nivel:

• Control de nivel - Para asegurar que se añade la cantidad correcta de agua a la caldera en el momento correcto.
• Alarma de agua baja - Para la operación segura de la caldera, la alarma de agua baja asegura que la combustión del combustible no continúe si el nivel de agua en la caldera ha caído a, o por debajo de un nivel predeterminado. Para calderas de vapor controladas automáticamente, las normas nacionales generalmente exigen dos alarmas de nivel bajo independientes, para asegurar la seguridad. En el Reino Unido, la más baja de las dos alarmas ‘bloqueará’ el quemador, y se requiere reinicio manual para traer la caldera de vuelta en línea.
• Alarma de agua alta - La alarma opera si el nivel de agua sube demasiado, informando al operador de la caldera que cierre el suministro de agua de alimentación. Aunque generalmente no es obligatoria, el uso de alarmas de nivel alto es sensato ya que reducen la posibilidad de arrastre de agua y golpe de ariete en el sistema de distribución de vapor. Métodos de detección automática de nivel Las siguientes secciones dentro de este Módulo discuten los tipos principales de dispositivo de detección de nivel que son apropiados para calderas de vapor. Teoría eléctrica básica La forma en que la electricidad fluye puede compararse con un líquido. El líquido fluye a través de una tubería de manera similar a como la electricidad fluye a través de un conductor (véase la Figura 3.16.2). Un conductor es un material, como cable metálico, que permite el flujo libre de corriente eléctrica. (Lo opuesto a un conductor es un aislante que resiste el flujo de electricidad, como vidrio o plástico). Una corriente eléctrica es un flujo de ‘carga’ eléctrica, transportada por diminutas partículas llamadas electrones o iones. La carga se mide en culombios. 6,24 x 10^18 electrones juntos tienen una carga de un culombio, que en términos de unidades base SI equivale a 1 amperio-segundo. Cuando los electrones o iones son causados a moverse, el flujo de electricidad se mide en Culombios por segundo en lugar de electrones o iones por segundo. Sin embargo, el término ‘amperio’ (o A) se da a la unidad en que se mide la corriente eléctrica.
• 1 A = Un flujo de 6,24 x 10^18 electrones por segundo.
• 1 A = 1 culombio por segundo. La fuerza que causa que la corriente fluya se conoce como fuerza electromotriz o FEM. Una batería, un dinamo de bicicleta o un generador de central eléctrica (entre otros ejemplos) pueden proporcionarla. Una batería tiene un terminal positivo y un terminal negativo. Si se conecta un cable entre los terminales, fluirá una corriente. La batería actúa como una fuente de presión similar a la bomba en un sistema de agua. La diferencia de potencial entre los terminales de una fuente FEM se mide en voltios y cuanto mayor sea el voltaje (presión) mayor será la corriente (flujo). El circuito a través del cual fluye la corriente presenta una resistencia (similar a la resistencia presentada por tuberías y válvulas en un sistema de agua). La unidad de resistencia es el ohmio (dado el símbolo Ω) y la ley de Ohm relaciona corriente, voltaje y resistencia, véase la Ecuación 3.16.1: Donde: I = Corriente (amperios) V = Voltaje (voltios) R = Resistencia (ohmios) Otro concepto eléctrico importante es la ‘capacitancia’. Mide la capacidad de carga entre dos conductores (aproximadamente análogo al volumen de un contenedor) en términos de la carga requerida para elevar su potencial en un voltio. Un par de conductores tiene una gran capacitancia si necesitan una gran cantidad de carga para elevar el voltaje entre ellos en un voltio, así como un recipiente grande necesita una gran cantidad de gas para llenarlo a cierta presión. La unidad de capacitancia es un culombio por voltio, que se denomina un faradio. Sondas de conductividad Considere un tanque abierto con algo de agua en él. Una sonda (varilla metálica) está suspendida en el tanque (véase la Figura 3.16.3). Si se aplica un voltaje eléctrico y el circuito incluye un amperímetro, este mostrará que:
• Con la sonda sumergida en el agua, la corriente fluirá a través del circuito.
• Si la sonda se levanta del agua, la corriente no fluirá a través del circuito. Este es el fundamento de la sonda de conductividad. El principio de conductividad se usa para dar una medición de punto. Cuando el nivel de agua toca la punta de la sonda, dispara una acción a través de un controlador asociado. Esta acción puede ser:
• Arrancar o detener una bomba.
• Abrir o cerrar una válvula.
• Sonar una alarma.
• Abrir o cerrar un relé. Pero una sola punta solo puede proporcionar una acción única o de punto. Así, se requieren dos puntas con una sonda de conductividad para conmutar una bomba encendida y apagada en niveles predeterminados, (Figura 3.16.4). Cuando el nivel de agua baja y expone la punta en el punto A, la bomba comenzará a funcionar. El nivel de agua sube hasta que toca la segunda punta en el punto B, y la bomba se apagará. Las sondas pueden instalarse en recipientes cerrados, por ejemplo una caldera. La Figura 3.16.5 muestra un tanque metálico de tapa cerrada - Nota; se requiere un aislante donde la sonda pasa a través de la tapa del tanque. De nuevo:
• Con la sonda sumergida, la corriente fluirá.
• Con la sonda fuera del agua, el flujo de corriente cesa. Nota: Se usa una corriente alterna para evitar la polarización y la electrólisis (la separación del agua en hidrógeno y oxígeno) en la sonda. Se debe usar una sonda de conductividad estándar para proporcionar alarma de agua baja en una caldera. Bajo las regulaciones del Reino Unido, esto debe probarse diariamente. Para una sonda simple hay un problema potencial - Si la suciedad se acumulara en el aislante, se crearía un camino conductivo entre la sonda y el tanque metálico y la corriente continuaría fluyendo incluso si la punta de la sonda estuviera fuera del agua. Esto puede superarse diseñando y fabricando la sonda de conductividad de manera que el aislante sea largo, y cubierto en la mayor parte de su longitud con un material aislante liso como PTFE/Teflón®. Esto minimizará el riesgo de acumulación de suciedad alrededor del aislante, véase la Figura 3.16.6. El problema se ha resuelto por:
• Usar un aislante en el espacio de vapor.
• Usar una funda larga lisa de PTFE como aislante virtualmente a lo largo de toda la longitud de la sonda metálica.
• Sensibilidad ajustable en el controlador. Hay sondas de conductividad especiales disponibles para alarmas de nivel bajo, y se denominan ‘autovigilantes’. Se incorporan varias características de autoverificación, incluyendo:
• Una punta comparadora que mide continuamente y compara la resistencia a tierra a través del aislamiento y a través de la punta de la sonda.
• Verificación de fugas de corriente entre la sonda y el aislamiento.
• Otras rutinas de autoverificación. Bajo las regulaciones del Reino Unido, el uso de estos sistemas especiales permite una prueba semanal en lugar de una diaria. Esto se debe a los niveles inherentes de seguridad más altos en su diseño. La punta de una sonda de conductividad debe cortarse a la longitud correcta para que represente con precisión el punto de conmutación deseado. Resumen de sondas de conductividad Las sondas de conductividad son:
• Normalmente montadas verticalmente.
• Usadas donde el control de nivel encendido/apagado es adecuado.
• A menudo suministradas montadas en grupos de tres o cuatro en una sola carcasa, aunque otras configuraciones están disponibles.
• Cortadas a la longitud en la instalación. Dado que las sondas usan conductividad eléctrica para operar, las aplicaciones que usan agua muy pura (conductividad menor a 5 μ Siemens/cm) no son adecuadas.

Sondas de capacitancia

Un capacitor simple puede hacerse insertando material dieléctrico (una sustancia que tiene poca o ninguna conductividad eléctrica, por ejemplo aire o PTFE), entre dos placas paralelas de material conductor (Figura 3.16.8). Un capacitor básico puede construirse sumergiendo dos placas conductoras paralelas en un líquido dieléctrico (Figura 3.16.9). Si se mide la capacitancia a medida que las placas se sumergen gradualmente, se verá que la capacitancia cambia en proporción a la profundidad por la que las placas se sumergen en el líquido dieléctrico. La capacitancia aumenta a medida que más del área de la placa se sumerge en el líquido (Figura 3.16.10). Un capacitor simple puede hacerse insertando material dieléctrico (una sustancia que tiene poca o ninguna conductividad eléctrica, por ejemplo aire), entre dos placas paralelas de material conductor (Figura 3.16.8). La situación es algo diferente en el caso de placas sumergidas en un líquido conductor, como el agua de caldera, ya que el líquido ya no actúa como dieléctrico, sino más bien como una extensión de las placas. La sonda de nivel de capacitancia por lo tanto consiste en una sonda cilíndrica conductora, que actúa como la primera placa del capacitor. Esta sonda está cubierta por un material dieléctrico adecuado, típicamente PTFE. La segunda placa del capacitor está formada por la pared de la cámara (en el caso de una caldera, la carcasa de la caldera) junto con el agua contenida en la cámara. Por lo tanto, cambiando el nivel de agua, el área de la segunda placa del capacitor cambia, lo que afecta la capacitancia total del sistema (véase la Ecuación 3.16.2). La capacitancia total del sistema tiene por lo tanto dos componentes (ilustrados en la Figura 3.16.12):

• CA, la capacitancia sobre la superficie del líquido - La capacitancia se desarrolla entre la pared de la cámara y la sonda. El dieléctrico consiste tanto en el aire entre la sonda y la pared de la cámara, como en la cubierta de PTFE.
• CB, la capacitancia bajo la superficie del líquido - La capacitancia se desarrolla entre la superficie del agua en contacto con la sonda y el único dieléctrico es la cubierta de PTFE. Dado que la distancia entre las dos placas de capacitancia sobre la superficie del agua (la pared de la cámara y la sonda) es grande, la capacitancia CA es pequeña (véase la Ecuación 3.16.2). Inversamente, la distancia entre las placas bajo la superficie del agua (la sonda y el agua misma) es pequeña y por lo tanto, la capacitancia CB será grande comparada con CA. El resultado neto es que cualquier aumento en el nivel de agua causará un aumento en la capacitancia que puede ser medido por un dispositivo apropiado. Sin embargo, el cambio en la capacitancia es pequeño (típicamente medido en picofaradios, por ejemplo, 10^-12 faradios) por lo que la sonda se usa en conjunto con un circuito amplificador. El cambio amplificado en capacitancia se señala entonces a un controlador adecuado. Donde la sonda de capacitancia se usa en, por ejemplo, un depósito de alimentación, (Figura 3.16.13) los niveles de líquido pueden monitorearse continuamente con una sonda de capacitancia. El controlador asociado puede configurarse para modular una válvula de control, y/o proporcionar funciones de punto como una alarma de nivel alto o una alarma de nivel bajo. El controlador también puede configurarse para proporcionar control encendido/apagado. Aquí, los puntos de conmutación ‘encendido’ y ‘apagado’ están contenidos en una sola sonda y se ajustan a través del controlador, eliminando cualquier necesidad de cortar la sonda. Dado que una sonda de capacitancia debe estar completamente envuelta en material aislante, no debe cortarse a la longitud.

Control de flotador

Esta es una forma simple de medición de nivel. Un ejemplo cotidiano de control de nivel con un flotador es la cisterna en un inodoro. Cuando se tira de la cadena, el nivel de agua baja en la cisterna, el flotador sigue el nivel de agua hacia abajo y abre la válvula de entrada de agua. Eventualmente la cisterna se cierra y a medida que entra agua fresca, el nivel de agua aumenta, el flotador sube y progresivamente cierra la válvula de entrada de agua hasta que se alcanza el nivel requerido. El sistema usado en calderas de vapor es muy similar. Un flotador se monta en la caldera. Puede estar en una cámara externa, o directamente dentro de la carcasa de la caldera. El flotador se moverá hacia arriba y hacia abajo a medida que el nivel de agua cambia en la caldera. La siguiente etapa es monitorear este movimiento y usarlo para controlar ya sea:

• Una bomba de alimentación (un sistema de control de nivel encendido/apagado) o
• Una válvula de control de agua de alimentación (un sistema de control de nivel de modulación) Debido a su flotabilidad, el flotador sigue el nivel de agua hacia arriba y hacia abajo.
• En el extremo opuesto de la varilla del flotador hay un imán, que se mueve dentro de una tapa de acero inoxidable. Como la tapa es de acero inoxidable, es (virtualmente) no magnética, y permite que las líneas de magnetismo pasen a través de ella. En su forma más simple, la fuerza magnética opera los interruptores magnéticos de la siguiente manera:
• El interruptor inferior encenderá la bomba de alimentación.
• El interruptor superior apagará la bomba de alimentación. Sin embargo, en la práctica un solo interruptor a menudo proporcionará control de bomba encendido/apagado, dejando el segundo interruptor para una alarma. Esta misma disposición puede usarse para proporcionar alarmas de nivel. Un sistema más sofisticado para proporcionar control de modulación usará una bobina envuelta alrededor de un yugo dentro de la tapa. A medida que el imán se mueve hacia arriba y hacia abajo, la inductancia de la bobina se alterará, y esto se usa para proporcionar una señal analógica a un controlador y luego a la válvula de control de nivel de agua de alimentación. Aplicación del control de flotador Montado vertical u horizontalmente, la salida de señal de nivel es generalmente a través de un interruptor operado magnéticamente (tipo mercurio o tipo ‘ruptura de aire’); o como una señal de modulación de una bobina inductiva debido al movimiento de un imán unido al flotador. En ambos casos el imán actúa a través de un tubo de acero inoxidable no magnético.

Celdas de presión diferencial

La celda de presión diferencial se instala con una carga constante de agua en un lado. El otro lado está dispuesto para tener una carga que varía con el nivel de agua de la caldera. Se usan técnicas de capacitancia variable, galgas extensométricas o inductivas para medir la deflexión de un diafragma, y a partir de esta medición, se produce una señal electrónica de nivel. El uso de celdas de presión diferencial es común en las siguientes aplicaciones:

• Calderas de tubos de agua de alta presión donde se usa agua desmineralizada de alta calidad.
• Donde se usa agua muy pura, quizás en un proceso farmacéutico. En estas aplicaciones, la conductividad del agua es muy baja, y puede significar que las sondas de conductividad y capacitancia no operarán de manera confiable.