Caldera (generación de energía)

Para la primera máquina de Newcomen de 1712, la caldera era poco más que una gran caldera de cervecero instalada debajo del cilindro de potencia. Dado que la potencia de la máquina se derivaba del vacío producido por la condensación del vapor, se requerían grandes volúmenes de vapor a muy baja presión, apenas 1 psi (6,9 kPa ) . Toda la caldera estaba empotrada en una mampostería que conservaba algo de calor. Se encendía un voluminoso fuego de carbón sobre una rejilla debajo de la bandeja ligeramente cóncava, lo que proporcionaba una superficie de calentamiento muy pequeña; por lo tanto, se desperdiciaba mucho calor por la chimenea . En modelos posteriores, en particular los de John Smeaton , la superficie de calentamiento se incrementó considerablemente haciendo que los gases calentaran los lados de la caldera, pasando a través de un conducto . Smeaton alargó aún más el recorrido de los gases mediante un conducto laberíntico en espiral debajo de la caldera. Estas calderas de combustión inferior se utilizaron en diversas formas a lo largo del siglo XVIII. Algunas eran de sección redonda (de heno). Una versión más larga, de planta rectangular, fue desarrollada alrededor de 1775 por Boulton y Watt (caldera sobre vagón). Esta es la que hoy se conoce como caldera de tres pasos: el fuego calienta la parte inferior, los gases pasan luego por un conducto tubular central de sección cuadrada y, finalmente, rodean los laterales de la caldera.  

Uno de los primeros defensores de la forma cilíndrica fue el ingeniero británico John Blakey, quien propuso su diseño en 1774. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Otro defensor temprano fue el ingeniero estadounidense Oliver Evans , quien reconoció acertadamente que la forma cilíndrica era la mejor desde el punto de vista de la resistencia mecánica y hacia finales del siglo XVIII comenzó a incorporarla en sus proyectos. Probablemente inspirado por los escritos sobre el esquema de la máquina de "alta presión" de Leupold que aparecieron en obras enciclopédicas desde 1725, Evans favoreció el "vapor fuerte", es decir, máquinas sin condensación en las que la presión del vapor por sí sola impulsaba el pistón y luego se expulsaba a la atmósfera. La ventaja del vapor fuerte, según él, era que se podía hacer más trabajo con volúmenes más pequeños de vapor; esto permitió reducir el tamaño de todos los componentes y adaptar las máquinas para el transporte y pequeñas instalaciones. Con este fin, desarrolló una caldera horizontal cilíndrica de hierro forjado, a la que se le incorporó un único tubo de combustión, en cuyo extremo se colocó la parrilla . El flujo de gas se invertía hacia un conducto o chimenea situado bajo el cuerpo de la caldera, y luego se dividía para regresar por conductos laterales y unirse de nuevo en la chimenea (caldera de máquina colombiana). Evans incorporó su caldera cilíndrica en varias máquinas, tanto fijas como móviles. Debido a limitaciones de espacio y peso, estas últimas eran de un solo paso, con la salida de gases directamente del tubo de combustión a la chimenea.

Otro defensor del "vapor fuerte" en aquella época fue el cornish Richard Trevithick . Sus calderas funcionaban a 40–50 psi (276–345 kPa) y eran inicialmente de forma hemisférica y posteriormente cilíndrica. A partir de 1804, Trevithick fabricó una pequeña caldera de doble paso o de retorno para máquinas semiportátiles y locomotoras. La caldera cornish desarrollada alrededor de 1812 por Richard Trevithick era más potente y eficiente que las calderas sencillas que la precedieron. Consistía en un depósito de agua cilíndrico de unos 8,2 m de largo y 2,1 m de diámetro, y tenía una parrilla para el carbón situada en un extremo de un único tubo cilíndrico de unos 90 cm de ancho que discurría longitudinalmente por el interior del depósito. El fuego se mantenía desde un extremo y los gases calientes viajaban a lo largo del tubo y salían por el otro extremo, para luego recircular por conductos exteriores y, una tercera vez, pasar por debajo del cuerpo de la caldera antes de ser expulsados ​​por la chimenea. Posteriormente, se mejoró con otra caldera de tres pasos, la caldera Lancashire , que tenía dos hornos en tubos separados, uno al lado del otro. Esta fue una mejora importante, ya que cada horno podía alimentarse en momentos diferentes, lo que permitía limpiar uno mientras el otro estaba en funcionamiento.    

Las calderas de las locomotoras ferroviarias solían ser del tipo de un paso, aunque en los primeros tiempos eran comunes las calderas de doble paso con retorno de humos , especialmente en las locomotoras construidas por Timothy Hackworth .

Un avance significativo se produjo en Francia en 1828, cuando Marc Seguin ideó una caldera de doble paso, cuyo segundo paso estaba formado por un haz de múltiples tubos. Un diseño similar, con inducción natural y utilizado para fines marinos, fue la popular caldera marina escocesa .

Antes de las pruebas de Rainhill de 1829, Henry Booth , tesorero del ferrocarril de Liverpool y Manchester, sugirió a George Stephenson un diseño para una caldera horizontal multitubo de una sola pasada compuesta por dos unidades: un hogar rodeado de cámaras de agua y un cuerpo de caldera formado por dos anillos telescópicos en cuyo interior se montaban 25 tubos de cobre. El haz de tubos ocupaba gran parte del espacio de agua en el cuerpo de la caldera y mejoraba enormemente la transferencia de calor . George comunicó inmediatamente el diseño a su hijo Robert, y esta fue la caldera utilizada en la Rocket de Stephenson , ganadora indiscutible de la prueba. El diseño sirvió de base para todas las locomotoras construidas posteriormente por Stephenson, siendo adoptado de inmediato por otros constructores; este modelo de caldera de tubos de fuego se ha construido desde entonces.

Para lograr una combustión óptima , es necesario suministrar aire tanto a través de la parrilla como por encima del fuego. La mayoría de las calderas actuales utilizan sistemas de tiro mecánico en lugar de tiro natural . Esto se debe a que el tiro natural depende de las condiciones del aire exterior, la temperatura de los gases de combustión que salen del horno y la altura de la chimenea. Todos estos factores dificultan la obtención de un tiro efectivo y, por lo tanto, hacen que los sistemas de tiro mecánico sean mucho más económicos. Existen tres tipos de tiro mecánico:

1. Tiro inducido: Este se obtiene de tres maneras. La primera es el "efecto chimenea" de una chimenea calentada, en la que los gases de combustión son menos densos que el aire ambiente que rodea la caldera. La columna de aire ambiente más densa fuerza el aire de combustión hacia dentro y a través de la caldera. El segundo método es mediante el uso de un chorro de vapor. El chorro de vapor o eyector, orientado en la dirección del flujo de gases de combustión, induce estos gases hacia la chimenea y permite una mayor velocidad de los gases de combustión, aumentando así el tiro general en el horno. Este método era común en las locomotoras de vapor, que no podían tener chimeneas altas. El tercer método consiste simplemente en utilizar un ventilador de tiro inducido (ventilador ID), que aspira los gases de combustión fuera del horno y hacia arriba por la chimenea. Casi todos los hornos de tiro inducido tienen presión negativa.
2. Tiro forzado: El tiro se obtiene forzando el aire hacia el horno mediante un ventilador y conductos. El aire suele pasar por un precalentador, que, como su nombre indica, 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 ingresa al horno. Los hornos de tiro forzado suelen tener presión positiva.
3. Tiro equilibrado: El tiro equilibrado se obtiene mediante el uso de tiro inducido y forzado. Esto es más común en calderas grandes donde los gases de combustión deben recorrer una larga distancia a través de múltiples conductos. 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.

La siguiente etapa del proceso consiste en hervir agua y generar vapor. El objetivo es que el calor se transfiera de la fuente de calor al agua de la forma más completa posible. El agua se encuentra confinada en un espacio reducido calentado por el fuego. El vapor producido tiene menor densidad que el agua y, por lo tanto, se acumulará en la parte superior del recipiente; su temperatura se mantendrá en el punto de ebullición y solo aumentará a medida que aumente la presión. El vapor en este estado (en equilibrio con el agua líquida que se evapora dentro de la caldera) se denomina " vapor saturado ". Por ejemplo, el vapor saturado a presión atmosférica hierve a 100 °C (212 °F) . El vapor saturado extraído de la caldera puede contener gotas de agua arrastradas; sin embargo, una caldera bien diseñada suministrará vapor saturado prácticamente "seco", con muy poca agua arrastrada. El calentamiento continuo del vapor saturado lo llevará a un estado de "sobrecalentamiento", donde el vapor se calienta a una temperatura superior a la de saturación, y en estas condiciones no puede existir agua líquida. La mayoría de las máquinas de vapor alternativas del siglo XIX utilizaban vapor saturado; sin embargo, las centrales eléctricas de vapor modernas utilizan universalmente vapor sobrecalentado, lo que permite una mayor eficiencia del ciclo de vapor .  

LD Porta proporciona la siguiente ecuación que determina la eficiencia de una locomotora de vapor , aplicable a máquinas de vapor de todo tipo: potencia (kW) = producción de vapor (kg h ⁻¹ )/consumo específico de vapor (kg/kW h).

Se puede generar una mayor cantidad de vapor a partir de una cantidad determinada de agua mediante el sobrecalentamiento. Dado que el fuego arde a una temperatura mucho mayor que la del vapor saturado que produce, se puede transferir mucho más calor al vapor ya formado mediante el sobrecalentamiento, transformando así las gotas de agua suspendidas en él en más vapor y reduciendo considerablemente el consumo de agua.

El sobrecalentador funciona como las serpentinas de un sistema de aire acondicionado , pero con un propósito diferente. La tubería de vapor (por la que circula el vapor) se dirige a través del conducto de gases de combustión en el horno de la caldera. Esta zona suele estar entre 1300 y 1600 °C (2372 y 2912 °F ) . Algunos sobrecalentadores son de tipo radiante (absorben calor por radiación térmica ), otros son de tipo convectivo (absorben calor a través de un fluido, por ejemplo, un gas) y algunos son una combinación de ambos. Así, ya sea por convección o radiación, el calor extremo en el horno de la caldera/conducto de gases de combustión también calienta la tubería de vapor del sobrecalentador y el vapor que contiene. Si bien la temperatura del vapor en el sobrecalentador aumenta, la presión del vapor no lo hace: la turbina o los pistones móviles ofrecen un "espacio en continua expansión" y la presión permanece igual que la de la caldera. ^{[ 4 ]} El proceso de sobrecalentamiento del vapor está diseñado principalmente para eliminar todas las gotas atrapadas en el vapor y así evitar daños a los álabes de la turbina y/o a las tuberías asociadas. El sobrecalentamiento del vapor expande su volumen, lo que permite que una cantidad determinada (en peso) de vapor genere más potencia.  

Cuando se eliminan por completo las gotitas, se dice que el vapor está en estado sobrecalentado.

En una caldera de locomotora de tubos de fuego Stephensoniana, esto implica dirigir el vapor saturado a través de tuberías de pequeño diámetro suspendidas dentro de tubos de fuego de gran diámetro, poniéndolas en contacto con los gases calientes que salen del hogar; el vapor saturado fluye hacia atrás desde el colector húmedo hacia el hogar, y luego hacia adelante nuevamente hacia el colector seco. El sobrecalentamiento solo comenzó a adoptarse de forma generalizada para locomotoras alrededor del año 1900 debido a problemas de sobrecalentamiento y lubricación de las piezas móviles en los cilindros y las cámaras de vapor . Muchas calderas de tubos de fuego calientan el agua hasta que hierve, y luego el vapor se utiliza a la temperatura de saturación, es decir, la temperatura del punto de ebullición del agua a una presión dada (vapor saturado); este todavía contiene una gran proporción de agua en suspensión. El vapor saturado puede ser utilizado directamente por un motor, y de hecho lo ha sido, pero como el agua en suspensión no puede expandirse ni realizar trabajo, y el trabajo implica una caída de temperatura, gran parte del fluido de trabajo se desperdicia junto con el combustible consumido para producirlo.

Otra forma de producir vapor rápidamente es alimentar agua a presión a través de uno o varios tubos rodeados por los gases de combustión. El primer ejemplo de esto fue desarrollado por Goldsworthy Gurney a finales de la década de 1820 para su uso en carruajes de vapor. Esta caldera era ultracompacta y ligera, y desde entonces esta disposición se ha convertido en la norma para aplicaciones marinas y estacionarias. Los tubos suelen tener un gran número de codos y, a veces, aletas para maximizar la superficie. Este tipo de caldera se prefiere generalmente en aplicaciones de alta presión, ya que el agua/vapor a alta presión se encuentra dentro de tuberías estrechas que pueden contener la presión con una pared más delgada. Sin embargo, puede ser susceptible a daños por vibración en aparatos de transporte terrestre. En una caldera seccional de hierro fundido , a veces llamada "caldera de chuleta de cerdo", el agua se encuentra dentro de secciones de hierro fundido. Estas secciones se ensamblan mecánicamente en el lugar para crear la caldera terminada.

Los generadores de vapor supercrítico se utilizan frecuentemente 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 (superior a 3200 psi o 22,06 MPa ) que no se produce ebullición; la caldera no tiene separación entre agua líquida y vapor. No se generan burbujas de vapor en el agua, ya que la presión está por encima de la presión crítica a la que se forman dichas burbujas. El vapor pasa por debajo del punto crítico al realizar trabajo en una turbina de alta presión y entrar en el condensador del generador . Esto resulta en un menor consumo de combustible y, por lo tanto, en una menor producción de gases de efecto invernadero . El término "caldera" no debe utilizarse para un generador de vapor de presión supercrítica, ya que en este dispositivo no se produce ebullición.  

El vagón de vapor Doble utiliza un generador de flujo a contracorriente de paso único, compuesto por un tubo continuo. El fuego se genera en la parte superior de la serpentina, en lugar de en la inferior. El agua se bombea al tubo por la parte inferior y el vapor se extrae por la superior. Esto significa que cada partícula de agua y vapor debe pasar necesariamente por cada parte del generador, lo que provoca una intensa circulación que impide la formación de sedimentos o incrustaciones en el interior del tubo. El agua entra por la parte inferior del tubo a un caudal de 183 metros por segundo (600 pies ) y contiene menos de dos cuartos de galón de agua en todo momento. 

A medida que los gases calientes pasan entre las bobinas, se enfrían gradualmente, ya que el agua absorbe el calor. La última parte del generador con la que entran en contacto los gases es el agua fría que entra.

El fuego se apaga completamente cuando la presión alcanza un punto predeterminado, generalmente fijado en 750 psi (5,2 MPa) , presión de agua fría; una válvula de seguridad ajustada a 1200 lb (544 kg) proporciona protección adicional. El fuego se apaga automáticamente tanto por temperatura como por presión, por lo que, en caso de que la caldera se secara por completo, sería imposible dañar la serpentina, ya que el fuego se apagaría automáticamente por la temperatura. ^{[ 7 ]}    

Los generadores de circulación forzada similares , como las calderas Pritchard, Lamont y Velox, presentan la misma ventaja.