Una caldera móvil (conservada, mina de plata histórica en Tarnowskie Góry, Polonia ). Una caldera estacionaria ( Estados Unidos ). Una caldera es un recipiente cerrado en el que...
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El recipiente a presión de una caldera suele estar hecho de acero (o acero aleado ) o, históricamente, de hierro forjado . El acero inoxidable , especialmente de los tipos austeníticos , no se utiliza en las partes húmedas de las calderas debido a la corrosión y al agrietamiento por corrosión bajo tensión . [3] [ página necesaria ] Sin embargo, el acero inoxidable ferrítico se utiliza a menudo en secciones de sobrecalentadores que no estarán expuestas al agua hirviendo , y las calderas de carcasa de acero inoxidable calentadas eléctricamente están permitidas según la "Directiva de equipos a presión" europea para la producción de vapor para esterilizadores y desinfectadores. [4]
Durante gran parte de la "era del vapor" victoriana, el único material utilizado para la fabricación de calderas era el hierro forjado de la más alta calidad , con ensamblaje mediante remachado . Este hierro se obtenía a menudo de herrerías especializadas , como las de la zona de Cleator Moor (Reino Unido), conocidas por la alta calidad de su chapa laminada , que era especialmente adecuada para su uso en aplicaciones críticas como las calderas de alta presión. En el siglo XX , la práctica de diseño se inclinó hacia el uso del acero, con una construcción soldada , que es más resistente y más barata, y se puede fabricar más rápidamente y con menos mano de obra. Las calderas de hierro forjado se corroen mucho más lentamente que sus contrapartes de acero modernas y son menos susceptibles a picaduras localizadas y corrosión por tensión. Eso hace que la longevidad de las calderas de hierro forjado más antiguas sea muy superior a la de las calderas de acero soldado. [ cita requerida ]
El hierro fundido se puede utilizar para el recipiente de calentamiento de los calentadores de agua domésticos. Aunque estos calentadores suelen denominarse "calderas" en algunos países, su finalidad suele ser producir agua caliente, no vapor, por lo que funcionan a baja presión y tratan de evitar la ebullición. La fragilidad del hierro fundido lo hace poco práctico para las calderas de vapor de alta presión.
Existen dos métodos para medir la eficiencia de la caldera en el código de prueba de rendimiento ASME (PTC) para calderas ASME PTC 4 [5] y para HRSG ASME PTC 4.4 y EN 12952-15 [6] para calderas acuotubulares:
Método de entrada-salida (método directo)
Método de pérdida de calor (método indirecto)
Método de entrada-salida (o método directo)
El método directo de prueba de eficiencia de la caldera es más utilizable o más común.
Eficiencia de la caldera = potencia de salida / potencia de entrada = Q × (Hg − Hf) / (q × GCV) × 100%
Una "caldera" primitiva en la que un fuego calienta desde abajo un recipiente de agua parcialmente lleno. Las calderas Haycock del siglo XVIII generalmente producían y almacenaban grandes volúmenes de vapor a muy baja presión, a menudo apenas por encima de la atmosférica. Podían quemar madera o, más frecuentemente, carbón. Su eficiencia era muy baja.
Aquí, el agua llena parcialmente un barril de caldera con un pequeño volumen dejado arriba para acomodar el vapor ( espacio de vapor ). Este es el tipo de caldera utilizada en casi todas las locomotoras de vapor . La fuente de calor está dentro de un horno o caja de fuego que tiene que mantenerse permanentemente rodeado por el agua para mantener la temperatura de la superficie de calentamiento por debajo del punto de ebullición . El horno puede estar situado en un extremo de un tubo de humos que alarga el camino de los gases calientes, aumentando así la superficie de calentamiento que puede aumentarse aún más haciendo que los gases inviertan la dirección a través de un segundo tubo paralelo o un haz de múltiples tubos (caldera de dos pasos o de humos de retorno); alternativamente, los gases pueden ser llevados a lo largo de los lados y luego debajo de la caldera a través de humos (caldera de 3 pasos). En el caso de una caldera de tipo locomotora, un barril de caldera se extiende desde la caja de fuego y los gases calientes pasan a través de un haz de tubos de humos dentro del barril, lo que aumenta en gran medida la superficie de calentamiento en comparación con un solo tubo y mejora aún más la transferencia de calor . Las calderas pirotubulares suelen tener una tasa comparativamente baja de producción de vapor, pero una alta capacidad de almacenamiento de vapor. Las calderas pirotubulares queman principalmente combustibles sólidos, pero se adaptan fácilmente a los de tipo líquido o gaseoso. Las calderas pirotubulares también pueden denominarse calderas de tipo "escocés-marinas" o "marinas". [7]
En este tipo, los tubos llenos de agua se disponen dentro de un horno en varias configuraciones posibles. A menudo, los tubos de agua conectan grandes tambores, los inferiores contienen agua y los superiores vapor y agua; en otros casos, como una caldera monotubo, el agua circula mediante una bomba a través de una sucesión de bobinas. Este tipo generalmente proporciona altas tasas de producción de vapor, pero menos capacidad de almacenamiento que el anterior. Las calderas acuotubulares pueden diseñarse para explotar cualquier fuente de calor y generalmente se prefieren en aplicaciones de alta presión, ya que el agua/vapor a alta presión está contenido dentro de tuberías de diámetro pequeño que pueden soportar la presión con una pared más delgada. Estas calderas se construyen comúnmente en el lugar, tienen una forma aproximadamente cuadrada y pueden tener varios pisos de altura. [7]
Una caldera de vaporización instantánea es un tipo especializado de caldera acuotubular en la que los tubos están muy juntos y se bombea agua a través de ellos. Una caldera de vaporización instantánea se diferencia del tipo de generador de vapor monotubo en el que el tubo está permanentemente lleno de agua. En una caldera de vaporización instantánea, el tubo se mantiene tan caliente que el agua que se alimenta se convierte rápidamente en vapor y se sobrecalienta . Las calderas de vaporización instantánea se utilizaron en automóviles en el siglo XIX y este uso continuó hasta principios del siglo XX.
Caldera pirotubular con cámara de combustión acuotubular
En ocasiones, los dos tipos anteriores se han combinado de la siguiente manera: la cámara de combustión contiene un conjunto de tubos de agua, llamados sifones térmicos . A continuación, los gases pasan a través de una caldera pirotubular convencional. Las cámaras de combustión acuotubulares se instalaron en muchas locomotoras húngaras , [ cita requerida ] pero han tenido poco éxito en otros países.
Caldera seccional
En una caldera seccional de hierro fundido, a veces llamada "caldera de chuletas de cerdo", el agua está contenida dentro de secciones de hierro fundido. [ cita requerida ] Estas secciones se ensamblan en el sitio para crear la caldera terminada.
Seguridad
Para definir y proteger las calderas de forma segura, algunas organizaciones profesionales especializadas, como la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), desarrollan normas y códigos de regulación. Por ejemplo, el Código de Calderas y Recipientes a Presión de la ASME es una norma que proporciona una amplia gama de reglas y directivas para garantizar el cumplimiento de las normas de seguridad, protección y diseño de las calderas y otros recipientes a presión . [8]
Históricamente, las calderas han sido una fuente de muchas lesiones graves y destrucción de propiedades debido a principios de ingeniería poco comprendidos. Las carcasas metálicas delgadas y frágiles pueden romperse, mientras que las costuras mal soldadas o remachadas pueden abrirse, lo que provoca una erupción violenta del vapor presurizado. Cuando el agua se convierte en vapor, se expande a más de 1000 veces su volumen original y viaja por las tuberías de vapor a más de 100 kilómetros por hora (62 mph). Debido a esto, el vapor es un método eficiente para transportar energía y calor por un sitio desde una sala de calderas central hasta donde se necesita, pero sin el tratamiento adecuado del agua de alimentación de la caldera, una planta de generación de vapor sufrirá formación de incrustaciones y corrosión. En el mejor de los casos, esto aumenta los costos de energía y puede generar vapor de mala calidad, menor eficiencia, menor vida útil de la planta y un funcionamiento poco confiable. En el peor de los casos, puede provocar fallas catastróficas y pérdida de vidas. Los tubos de caldera colapsados o desprendidos también pueden arrojar vapor y humo hirvientes por la entrada de aire y el conducto de combustión, lo que puede herir a los bomberos que cargan el carbón en la cámara de combustión. Las calderas extremadamente grandes que proporcionan cientos de caballos de fuerza para operar fábricas pueden llegar a demoler edificios enteros. [9]
Una caldera que tiene una pérdida de agua de alimentación y se deja hervir en seco puede ser extremadamente peligrosa. Si luego se envía agua de alimentación a la caldera vacía, la pequeña cascada de agua entrante hierve instantáneamente al entrar en contacto con la carcasa metálica sobrecalentada y provoca una explosión violenta que no se puede controlar ni siquiera con válvulas de vapor de seguridad. El vaciado de la caldera también puede ocurrir si se produce una fuga en las líneas de suministro de vapor que es más grande de lo que el suministro de agua de reposición podría reemplazar. El Hartford Loop fue inventado en 1919 por la Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company como un método para ayudar a prevenir que se produzca esta condición y, por lo tanto, reducir sus reclamos de seguros. [10] [11]
Caldera de vapor sobrecalentado
Una caldera sobrecalentada en una locomotora de vapor
Cuando se hierve agua, el resultado es vapor saturado , también conocido como "vapor húmedo". El vapor saturado, aunque se compone principalmente de vapor de agua, lleva algo de agua no evaporada en forma de gotitas. El vapor saturado es útil para muchos propósitos, como cocinar , calentar y sanitar , pero no es deseable cuando se espera que el vapor transmita energía a la maquinaria, como el sistema de propulsión de un barco o el "movimiento" de una locomotora de vapor . Esto se debe a que la inevitable pérdida de temperatura y/o presión que se produce cuando el vapor viaja desde la caldera a la maquinaria provocará algo de condensación, lo que hará que el agua líquida sea transportada a la maquinaria. El agua arrastrada en el vapor puede dañar las aspas de la turbina o, en el caso de un motor de vapor alternativo , puede causar daños mecánicos graves debido al bloqueo hidrostático .
Las calderas de vapor sobrecalentado evaporan el agua y luego calientan aún más el vapor en un sobrecalentador , lo que hace que la temperatura del vapor descargado sea sustancialmente superior a la temperatura de ebullición a la presión de funcionamiento de la caldera. Como el " vapor seco " resultante es mucho más caliente de lo necesario para permanecer en estado vaporoso, no contendrá ninguna cantidad significativa de agua no evaporada. Además, será posible una mayor presión de vapor que con vapor saturado, lo que permite que el vapor transporte más energía. Aunque el sobrecalentamiento agrega más energía al vapor en forma de calor, no hay efecto sobre la presión, que está determinada por la velocidad a la que se extrae vapor de la caldera y los ajustes de presión de las válvulas de seguridad . [12] El consumo de combustible necesario para generar vapor sobrecalentado es mayor que el necesario para generar un volumen equivalente de vapor saturado. Sin embargo, la eficiencia energética general de la planta de vapor (la combinación de caldera, sobrecalentador, tuberías y maquinaria) generalmente mejorará lo suficiente como para compensar con creces el aumento del consumo de combustible.
El funcionamiento del sobrecalentador es similar al de las bobinas de un aparato de aire acondicionado , aunque con un propósito diferente. La tubería de vapor se dirige a través del recorrido de los gases de combustión en el horno de la caldera, una zona en la que la temperatura suele estar entre 1.300 y 1.600 grados Celsius (2.372 y 2.912 grados Fahrenheit). Algunos sobrecalentadores son de tipo radiante, que como sugiere el nombre, absorben el calor por radiación. Otros son de tipo convección, que absorben el calor de un fluido. Algunos son una combinación de los dos tipos. A través de cualquiera de los dos métodos, el calor extremo en el recorrido de los gases de combustión también calentará la tubería de vapor del sobrecalentador y el vapor que contiene.
El diseño de cualquier planta de vapor sobrecalentado presenta varios desafíos de ingeniería debido a las altas temperaturas y presiones de trabajo. Uno de los aspectos a considerar es la introducción de agua de alimentación a la caldera. La bomba utilizada para cargar la caldera debe ser capaz de superar la presión de funcionamiento de la caldera, de lo contrario el agua no fluirá. Como una caldera sobrecalentada generalmente funciona a alta presión, la presión correspondiente del agua de alimentación debe ser aún mayor, lo que exige un diseño de bomba más robusto.
Otra consideración es la seguridad. El vapor sobrecalentado a alta presión puede ser extremadamente peligroso si se escapa involuntariamente. Para darle al lector algo de perspectiva, las plantas de vapor utilizadas en muchos destructores de la Armada de los EE. UU. construidos durante la Segunda Guerra Mundial funcionaban a una presión de 600 psi (4100 kPa ; 41 bar ) y un sobrecalentamiento de 850 grados Fahrenheit (454 grados Celsius). En caso de una ruptura importante del sistema, un peligro siempre presente en un buque de guerra durante el combate , la enorme liberación de energía del vapor sobrecalentado que se escapa, expandiéndose a más de 1600 veces su volumen confinado, sería equivalente a una explosión cataclísmica, cuyos efectos se verían exacerbados por la liberación de vapor que ocurre en un espacio confinado, como la sala de máquinas de un barco . Además, las pequeñas fugas que no son visibles en el punto de fuga podrían ser letales si una persona se interpusiera en el camino del vapor que se escapa. Por ello, los diseñadores se esfuerzan por dar a los componentes del sistema que manejan vapor la mayor resistencia posible para mantener su integridad. Se utilizan métodos especiales de acoplamiento de las tuberías de vapor para evitar fugas, y los sistemas de presión muy alta emplean juntas soldadas para evitar problemas de fugas con conexiones roscadas o con juntas .
Generador de vapor supercrítico
Caldera para una central eléctrica
Los generadores de vapor supercríticos se utilizan con frecuencia para la producción de energía eléctrica . Operan a presión supercrítica . A diferencia de una "caldera subcrítica", un generador de vapor supercrítico opera a una presión tan alta (más de 3200 psi o 22 MPa) que la turbulencia física que caracteriza la ebullición deja de ocurrir; el fluido no es ni líquido ni gas, sino un fluido supercrítico. No se generan burbujas de vapor dentro del agua, porque la presión está por encima del punto de presión crítico en el que se pueden formar burbujas de vapor. A medida que el fluido se expande a través de las etapas de la turbina, su estado termodinámico cae por debajo del punto crítico, ya que realiza un trabajo que hace girar la turbina, que hace girar el generador eléctrico del que finalmente se extrae la energía. El fluido en ese punto puede ser una mezcla de vapor y gotitas de líquido a medida que pasa al condensador . Esto da como resultado un uso de combustible ligeramente menor y, por lo tanto, una menor producción de gases de efecto invernadero . El término "caldera" no debe usarse para un generador de vapor de presión supercrítica, ya que no se produce "ebullición" en este dispositivo.
Presostatos para controlar la presión del vapor en la caldera. Las calderas generalmente tienen 2 o 3 presostatos: un presostato de reinicio manual, que funciona como medida de seguridad al establecer el límite superior de presión de vapor, el presostato de operación, que controla cuándo se enciende la caldera para mantener la presión y, para las calderas equipadas con un quemador modulante, un presostato modulante que controla la cantidad de fuego.
Indicadores de nivel de agua: Muestran al operador el nivel de fluido en la caldera, también conocido como mirilla , medidor de agua o columna de agua.
Válvulas de purga de fondo : proporcionan un medio para eliminar las partículas sólidas que se condensan y se depositan en el fondo de una caldera. Como su nombre lo indica, esta válvula suele estar ubicada directamente en el fondo de la caldera y, ocasionalmente, se abre para usar la presión de la caldera para expulsar estas partículas.
Válvula de purga continua: permite que escape continuamente una pequeña cantidad de agua. Su finalidad es evitar que el agua de la caldera se sature con sales disueltas. La saturación provocaría la formación de espuma y haría que las gotas de agua se arrastraran junto con el vapor, una condición conocida como cebado . La purga también se utiliza a menudo para controlar la química del agua de la caldera.
Llave de paso: un tipo de válvula que se utiliza a menudo para comprobar manualmente el nivel de líquido en un tanque. Se encuentra más comúnmente en una caldera de agua.
Tanque de evaporación: la purga a alta presión ingresa a este recipiente donde el vapor puede "evaporarse" de manera segura y usarse en un sistema de baja presión o ventilarse a la atmósfera mientras la purga a presión ambiente fluye hacia el drenaje.
Sistema de purga automática/recuperación continua de calor: este sistema permite que la caldera se purgue solo cuando fluye agua de reposición hacia ella, transfiriendo así la máxima cantidad de calor posible de la purga al agua de reposición. Por lo general, no se necesita un tanque de expansión, ya que la purga descargada tiene una temperatura cercana a la del agua de reposición.
Agujeros de mano: Son placas de acero instaladas en aberturas en el "cabecera" para permitir la inspección e instalación de tubos y la inspección de superficies internas.
Partes internas del tambor de vapor, una serie de pantallas, depuradores y recipientes (separadores ciclónicos).
Dispositivo de corte por bajo nivel de agua: es un medio mecánico (normalmente un interruptor de flotador) o un electrodo con un interruptor de seguridad que se utiliza para apagar el quemador o cortar el suministro de combustible a la caldera para evitar que siga funcionando una vez que el nivel de agua desciende por debajo de un determinado punto. Si una caldera se quema en seco (sin agua en su interior), puede provocar una rotura o una avería catastrófica.
Línea de purga de superficie: proporciona un medio para eliminar espuma u otras sustancias livianas no condensables que tienden a flotar en la parte superior del agua dentro de la caldera.
Bomba de circulación : Está diseñada para hacer circular el agua de regreso a la caldera después de que haya expulsado parte de su calor.
Válvula de retención de agua de alimentación o válvula de retención: válvula de retención en la línea de agua de alimentación . Puede instalarse en el costado de la caldera, justo debajo del nivel del agua, o en la parte superior de la caldera. [13]
Alimentación superior: en este diseño de inyección de agua de alimentación, el agua se introduce en la parte superior de la caldera. Esto puede reducir la fatiga de la caldera causada por el estrés térmico. Al rociar el agua de alimentación sobre una serie de bandejas, el agua se calienta rápidamente y esto puede reducir la cal .
Tubos o haces de tubos del desobrecalentador: Serie de tubos o haces de tubos en el tambor de agua o el tambor de vapor diseñados para enfriar el vapor sobrecalentado, con el fin de suministrar equipos auxiliares que no necesitan, o pueden resultar dañados por, vapor seco.
Línea de inyección de productos químicos: Una conexión para agregar productos químicos para controlar el pH del agua de alimentación .
Los inspectores prueban el accesorio del manómetro:
Placa de identificación:
Matrícula:
Borrador
Una caldera calentada por combustible debe proporcionar aire para oxidar su combustible. Las primeras calderas proporcionaban esta corriente de aire, o tiro , a través de la acción natural de la convección en una chimenea conectada al escape de la cámara de combustión. Dado que el gas de combustión calentado es menos denso que el aire ambiente que rodea la caldera, el gas de combustión sube por la chimenea, atrayendo aire fresco y más denso hacia la cámara de combustión. [ cita requerida ]
La mayoría de las calderas modernas dependen del tiro mecánico en lugar del tiro natural. Esto se debe a que el tiro natural está sujeto a las condiciones del aire exterior y a la temperatura de los gases de combustión que salen del horno, así como a la altura de la chimenea. Todos estos factores hacen que sea difícil conseguir un tiro adecuado y, por lo tanto, hacen que los equipos de tiro mecánico sean mucho más fiables y económicos. [ cita requerida ]
Los tipos de tiro también se pueden dividir en tiro inducido , en el que se extraen los gases de escape de la caldera; tiro forzado , en el que se introduce aire fresco en la caldera; y tiro equilibrado , en el que se emplean ambos efectos. El tiro natural mediante el uso de una chimenea es un tipo de tiro inducido; el tiro mecánico puede ser inducido, forzado o equilibrado.
Existen dos tipos de tiro inducido mecánico. El primero se realiza mediante el uso de un chorro de vapor. El chorro de vapor orientado en la dirección del flujo de gases de combustión induce los gases de combustión hacia la chimenea y permite una mayor velocidad de los gases de combustión, lo que aumenta el tiro general en el horno. Este método era común en las locomotoras impulsadas por vapor que no podían tener chimeneas altas. El segundo método consiste simplemente en utilizar un ventilador de tiro inducido (ventilador ID) que extrae los gases de combustión del horno y los impulsa hacia arriba por la chimenea. Casi todos los hornos de tiro inducido funcionan con una presión ligeramente negativa.
El tiro forzado mecánico se consigue mediante un ventilador que fuerza el aire hacia la cámara de combustión. El aire suele pasar por un calentador de aire que, como sugiere su nombre, calienta el aire que entra en el horno para aumentar la eficiencia general de la caldera. Se utilizan compuertas para controlar la cantidad de aire que entra en el horno. Los hornos de tiro forzado suelen tener una presión positiva.
El tiro equilibrado se obtiene mediante el uso de tiro inducido y forzado. Esto es más común en calderas de mayor tamaño, donde los gases de combustión deben recorrer una gran distancia a través de muchos pasos de caldera. El ventilador de tiro inducido funciona en conjunto con el ventilador de tiro forzado, lo que permite mantener la presión del horno ligeramente por debajo de la atmosférica.
^ Steingress, Frederick M. (2001). Calderas de baja presión (4.ª ed.). American Technical Publishers. ISBN 0-8269-4417-5.
^ Steingress, Frederick M.; Frost, Harold J.; Walker, Darryl R. (2003). Calderas de alta presión (3.ª ed.). American Technical Publishers. ISBN 0-8269-4300-4.
^ "Inspección de calderas y recipientes a presión según ASME".
^ Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company (1911). La locomotora. Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Co. – a través de Google Books.Un artículo sobre una explosión masiva de una caldera de la Pabst Brewing Company en 1909 que destruyó un edificio y arrojó partes al techo de los edificios cercanos. Este documento también contiene una lista de accidentes con calderas día a día y resúmenes de accidentes por año, y análisis de reclamos por daños a calderas.
^ Holohan, Dan. "Lo que debes saber sobre Hartford Loops".
^ "El circuito de Hartford sobre calderas de vapor".
^ Bell, AM (1952). Locomotoras . Vol. 1. Londres: Virtue and Company Ltd. pág. 46.
^ Bell 1952, pág. 35.
"Cálculos de calderas". Cálculos de calderas de FireCAD . Consultado el 11 de febrero de 2020 .