Calderas de Vapor

INTRODUCCION Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc. Estos ejemplos muestran la complejidad que puede tener una caldera y que haría muy extenso la descripción de los elementos que se integran en ellas. Por ello, para el lector interesado en el conocimiento, no ya de sus elementos, si no del léxico empleado en calderas, le remitimos a la Norma UNE 9001, donde encontrara una terminología suficientemente amplia. Así mismo, para garantizar garantizar su seguridad, el Reglamento de Aparatos a Presión, establece unas prescripciones específicas algunas de las cuales se recogen en los siguientes puntos.

PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación.

CALDERAS PIROTUBULARES Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a tr avés de la chimenea.

CALDERAS ACUOTUBULARES. En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera atmósfera a través de la chimenea.

Con objeto de obtener un mayor

rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases

CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera esta preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea. Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el

caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.

1. INTRODUCCIÓN El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en el calentamiento de procesos, en la generación de potencia y en la calefacción de espacios. El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio, inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control; cuando se condensa, da un calor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; puede usarse para generar potencia y proporcionar calefacción. El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vapor húmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado. En el presente artículo se va a tratar el funcionamiento de las calderas más representativas en el medio industrial entre las que se encuentran las pirotubulares y las acuotubulares. También se describen los principales sistemas de control que deben tener los generadores de vapor.

2. CALDERA Una caldera o generador de vapor es una máquina térmica que produce vapor a una presión mayor que la atmosférica. A la máquina le entra una energía (aire –combustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentemente agua) efectuándose el proceso de evaporación, cuyo mec anismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera. Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principales:

2.1 CÁMARA DE AGUA Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

2.2 CÁMARA DE VAPOR Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

3. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Por la disposición de los fluidos, las calderas se clasifican generalmente, como calderas de tubos de humo (pirotubulares) o de tubos de agua (acuotubulares).

3.1 CALDERAS PIROTUBULARES En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 1.

Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño, mayor flexibilidad de operación, menores exigencias de pureza en el agua de alimentación, son pequeñas y eficientes.

Desventajas: Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento, no se deben usar para altas presiones.

Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000) Las calderas pirotubulares o de depósito como también se llaman, generalmente son de forma cilíndrica y tienen una cámara de combustión con una relación mínima entre la longitud y el diámetro de 3:1 (SAXON, 2006). Según Kohan, las calderas pirotubulares son las más utilizadas en el calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y comerciales. (KOHAN, 2000) Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples pasos.

3.1.1 Calderas pirotubulares de un paso. Estas calderas tienen un conjunto de tubos de humo que las atraviesan desde el principio hasta el final, con los quemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser colocados en la cámara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadores van montados dentro de cada tubo y normalmente en las calderas horizontales el tiro es forzado y en las verticales el tiro es natural. Estas calderas son diseñadas para quemadores de gas y tienen una producción de vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las calderas verticales son comúnmente usadas para tintorería y en la fabricación de prendas de vestir (SAXON, 2006 ).

Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de (SAXON, 2006) 3.1.2 Calderas pirotubulares de múltiples pasos. Esta caldera usualmente tiene una sola cámara para la combustión principal, con un conjunto de tubos por donde.pasan los gases calientes, tanto por el frente como por la parte de atrás de esta. Uno de los primeros diseños fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3; esta fue originalmente diseñada para quemadores con carbón, pero luego fue convertida a gas natural. El rendimiento térmico de este tipo de caldera generalmente es cerca de 73 –77%.

Figura 3. Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006) La caldera moderna de cámara empaquetada generalmente es de tres pasos en la caldera húmeda, figura 4, sino hay problemas de fugas de aire podría funcionar con eficiencias térmicas de 78 –83%. El combustible puede ser petróleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta 31800 kg/h con presiones de hasta 18 bares. Las Calderas de más de 16820 kg/h de salida generalmente tienen dos tubos de combustión (SAXON, 2006).

Figura 4. Caldera de tres pasos. Adaptado de (SAXON, 2006) 3.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 5.

Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más. Desventajas: Mayor tamaño y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua de gran pureza.

Figura 5. Caldera acuotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000) Estas son las grandes calderas de alta presión utilizadas para la generación de energía en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor delos bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de forma rectangular y los tubos están conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cámara principal de combustión. Los productos son por lo general por encima de 20.000 kg/h. Debido a factores económicos, las calderas trabajan con carbón pulverizado o petróleo. Algunas han sido convertidas a gas, también pueden trabajar con dos quemadores de combustible.

3.3 CALDERAS DE TIPO SERPENTÍN Estas calderas son en forma de tubo de agua con el agua contenida en un conjunto de serpentines. La llama del quemador va por el interior y centro del serpentín, los productos pasan alrededor de las capas externas de los serpentines, figura 6. Estas calderas se denominan a veces generadores de vapor o vaporizadores de vapor.

Figura 6. Caldera de serpentín. Adaptado de (KOHAN, 2000) Son calderas de baja capacidad de agua y producen pequeñas cantidades de vapor rápidamente, en menos de 5 minutos. Se debe tener cuidado con el tratamiento de las aguas, por lo general es a base de sodio en combinación con aditivos químicos es todo lo que es normalmente necesario para el tratamiento de las aguas de alimentación. Los productos pueden variar desde 200 kg/h hasta aproximadamente 9090 kg/h a 40 bares. Estas utilizan quemadores de gas o de petróleo.

3.4 OTRAS CALDERAS Además de las calderas descritas, también existen las calderas de gas que se utilizan para proporcionar vapor húmedo para panadería, hornos de pastelería. Estas calderas son pequeñas y las presiones de trabajo son del orden de los 2 bares, figura 7. (SAXON, 2006).