Caldera

Una caldera es un recipiente cerrado en el que se calienta un fluido (generalmente agua). El fluido no necesariamente hierve. El fluido calentado o vaporizado sale de la caldera para su uso en diversos procesos o aplicaciones de calefacción, ^{[ 1 ] [ 2 ]} incluyendo el calentamiento de agua, la calefacción central , la generación de energía mediante calderas , la cocción y el saneamiento.

En una central eléctrica de combustibles fósiles que utiliza un ciclo de vapor para la generación de energía, la fuente de calor principal será la combustión de carbón , petróleo o gas natural. En algunos casos, se puede quemar combustible subproducto, como los gases de escape ricos en monóxido de carbono de una batería de coque, para calentar una caldera; también se pueden utilizar biocombustibles como el bagazo , cuando estén disponibles económicamente. En una central nuclear, las calderas llamadas generadores de vapor se calientan con el calor producido por la fisión nuclear. Cuando se dispone de un gran volumen de gas caliente procedente de algún proceso, un generador de vapor de recuperación de calor o una caldera de recuperación pueden utilizar el calor para producir vapor, con poco o ningún consumo adicional de combustible; esta configuración es común en una central eléctrica de ciclo combinado donde se utilizan una turbina de gas y una caldera de vapor. En todos los casos, los gases residuales de la combustión están separados del fluido de trabajo del ciclo de vapor, lo que convierte a estos sistemas en ejemplos de motores de combustión externa .

El recipiente a presión de una caldera suele estar hecho de acero (o acero aleado ), o históricamente de hierro forjado . El acero inoxidable , especialmente el austenítico , no se utiliza en las partes en contacto con el agua de las calderas debido a la corrosión y al agrietamiento por corrosión bajo tensión . ^{[ 3 ]} Sin embargo, el acero inoxidable ferrítico se utiliza a menudo en las secciones del sobrecalentador que no estarán expuestas al agua hirviendo, y las calderas de carcasa de acero inoxidable con calentamiento eléctrico están permitidas según la Directiva europea de equipos a presión para la producción de vapor para esterilizadores y desinfectadores. ^{[ 4 ]}

En los modelos a vapor reales , se suele utilizar cobre o latón porque son más fáciles de fabricar en calderas de menor tamaño. Históricamente, el cobre se usaba a menudo para los hogares (sobre todo en las locomotoras de vapor ) debido a su mejor maleabilidad y mayor conductividad térmica; sin embargo, en tiempos más recientes, el alto precio del cobre suele hacer que esta opción no sea rentable y se utilizan sustitutos más baratos (como el acero).

Durante gran parte de la era victoriana del vapor, el único material utilizado para la fabricación de calderas era el hierro forjado de la más alta calidad , ensamblado mediante remaches . Este hierro se obtenía a menudo de ferrerías especializadas , como las de la zona de Cleator Moor (Reino Unido), conocidas por la alta calidad de su chapa laminada , especialmente adecuada para aplicaciones críticas como las calderas de alta presión. En el siglo XX, el diseño evolucionó hacia el uso del acero, con construcción soldada , que es más resistente y económica, y se puede fabricar con mayor rapidez y con menos mano de obra. Las calderas de hierro forjado se corroen mucho más lentamente que sus homólogas de acero modernas y son menos susceptibles a la corrosión localizada por picaduras y a la corrosión bajo tensión. Esto hace que la longevidad de las antiguas calderas de hierro forjado sea muy superior a la de las calderas de acero soldadas.

El hierro fundido puede utilizarse para el recipiente de calentamiento de los calentadores de agua domésticos. Si bien en algunos países se les suele llamar «calderas», su función principal es producir agua caliente, no vapor, por lo que funcionan a baja presión y se intenta evitar la ebullición. La fragilidad del hierro fundido lo hace poco práctico para calderas de vapor de alta presión.

La fuente de calor para una caldera es la combustión de diversos combustibles, como madera, carbón, petróleo o gas natural. Las calderas de vapor eléctricas utilizan elementos calefactores de resistencia o inmersión . La fisión nuclear también se utiliza como fuente de calor para generar vapor, ya sea directamente (BWR) o, en la mayoría de los casos, en intercambiadores de calor especializados llamados "generadores de vapor" (PWR). Los generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG) utilizan el calor residual de otros procesos, como las turbinas de gas .

Existen dos métodos para medir la eficiencia de la caldera en el código de prueba de rendimiento (PTC) de ASME para calderas ASME PTC 4 ^{[ 5 ]} y para HRSG ASME PTC 4.4 y EN 12952-15 ^{[ 6 ]} para calderas de tubos de agua:

1. Método de entrada-salida (método directo)
2. Método de pérdida de calor (método indirecto)

Boilers can be classified into the following configurations:

Pot boiler or Haycock boiler/Haystack boiler

A primitive "kettle" where a fire heats a partially filled water container from below. 18th-century Haycock boilers generally produced and stored large volumes of very low-pressure steam, often hardly above that of the atmosphere. These could burn wood or most often, coal. Efficiency was very low.

Flued boiler

With one or two large flues—an early type or forerunner of fire-tube boiler.

Fire-tube boiler

Aquí, el agua llena parcialmente un cilindro de caldera, dejando un pequeño volumen en la parte superior para alojar el vapor ( espacio de vapor ). Este es el tipo de caldera que se utiliza en casi todas las locomotoras de vapor. La fuente de calor se encuentra dentro de un hogar o caja de fuego que debe mantenerse permanentemente rodeado de agua para mantener la temperatura de la superficie de calentamiento por debajo del punto de ebullición. El hogar puede estar situado en un extremo de un tubo de fuego, lo que alarga el recorrido de los gases calientes, aumentando así la superficie de calentamiento, que puede incrementarse aún más haciendo que los gases inviertan su dirección a través de un segundo tubo paralelo o un haz de varios tubos (caldera de doble paso o de retorno); alternativamente, los gases pueden tomarse a lo largo de los lados y luego por debajo de la caldera a través de conductos (caldera de tres pasos). En el caso de una caldera de tipo locomotora, un cilindro de caldera se extiende desde la caja de fuego y los gases calientes pasan a través de un haz de tubos de fuego dentro del cilindro, lo que aumenta considerablemente la superficie de calentamiento en comparación con un solo tubo y mejora aún más la transferencia de calor . Las calderas de tubos de fuego suelen tener una tasa de producción de vapor relativamente baja, pero una alta capacidad de almacenamiento de vapor. Las calderas de tubos de fuego queman principalmente combustibles sólidos, pero se adaptan fácilmente a los de tipo líquido o gaseoso. También se las conoce como calderas de tipo "escocés-marino" o "marino". ^{[ 7 ]}

Caldera de tubos de agua

En este tipo, los tubos llenos de agua se disponen dentro de un horno en diversas configuraciones posibles. A menudo, los tubos de agua conectan grandes tambores, los inferiores conteniendo agua y los superiores vapor y agua; en otros casos, como en una caldera monotubo, el agua circula mediante una bomba a través de una sucesión de serpentines. Este tipo generalmente ofrece altas tasas de producción de vapor, pero menor capacidad de almacenamiento que las calderas de tubos de fuego. Las calderas de tubos de agua pueden diseñarse para aprovechar cualquier fuente de calor y generalmente se prefieren en aplicaciones de alta presión, ya que el agua/vapor a alta presión se encuentra dentro de tuberías de pequeño diámetro que pueden soportar la presión con una pared más delgada. Estas calderas suelen construirse in situ, tienen una forma aproximadamente cuadrada y pueden alcanzar varios pisos de altura. ^{[ 7 ]}

Caldera instantánea

Una caldera de vapor instantáneo es un tipo especializado de caldera de tubos de agua en la que los tubos están muy juntos y el agua se bombea a través de ellos. Se diferencia del generador de vapor monotubo, en el que el tubo está permanentemente lleno de agua. En una caldera de vapor instantáneo, el tubo se mantiene a una temperatura tan alta que el agua de alimentación se vaporiza rápidamente y se sobrecalienta . Las calderas de vapor instantáneo se utilizaron en algunos automóviles durante el siglo XIX y su uso continuó hasta principios del siglo XX.

Caldera de tubos de humo con hogar de tubos de agua

En ocasiones, los dos tipos mencionados se han combinado de la siguiente manera: el hogar contiene un conjunto de tubos de agua, denominados sifones térmicos . Los gases pasan entonces a través de una caldera de tubos de fuego convencional. Los hogares de tubos de agua se instalaron en muchas locomotoras húngaras, pero han tenido poco éxito en otros países.

Caldera seccional

En una caldera modular de hierro fundido, a veces llamada "caldera de chuleta de cerdo", el agua se encuentra contenida dentro de secciones de hierro fundido. Estas secciones se ensamblan en el lugar de instalación para crear la caldera terminada.

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 que las calderas y otros recipientes a presión cumplan con las normas de seguridad, protección y diseño. ^{[ 8 ]}

Históricamente, las calderas fueron causa de numerosas lesiones graves y destrucción de propiedades debido a principios de ingeniería mal comprendidos. Las carcasas metálicas delgadas y frágiles pueden romperse, mientras que las uniones mal soldadas o remachadas pueden abrirse, provocando una violenta erupción del vapor a presión. 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) . Por ello, el vapor es un método eficiente para transportar energía y calor por una instalación, desde una sala de calderas central hasta donde se necesite. Sin embargo, sin el tratamiento adecuado del agua de alimentación de la caldera, una planta generadora de vapor sufrirá incrustaciones y corrosión. En el mejor de los casos, esto aumenta los costos de energía y puede provocar vapor de mala calidad, menor eficiencia, una vida útil más corta de la planta y un funcionamiento poco fiable. En el peor de los casos, puede provocar una falla catastrófica y la pérdida de vidas. Los tubos de la caldera colapsados ​​o sueltos también pueden expulsar vapor y humo hirviendo por la entrada de aire y la tolva de combustión, hiriendo a los fogoneros que cargan el carbón en la cámara de combustión. Las calderas extremadamente grandes que proporcionan cientos de caballos de fuerza para operar fábricas pueden potencialmente demoler edificios enteros. ^{[ 9 ]} 

Una caldera que sufre una pérdida de agua de alimentación y se deja hervir en seco puede ser extremadamente peligrosa. Si se introduce agua de alimentación en la caldera vacía, la pequeña cascada de agua entrante hierve instantáneamente al entrar en contacto con la carcasa metálica sobrecalentada, lo que provoca una violenta explosión que no puede controlarse ni siquiera con válvulas de seguridad de vapor. El vaciado de la caldera también puede ocurrir si se produce una fuga en las tuberías de suministro de vapor mayor que la que puede compensar el suministro de agua de reposición. El circuito de Hartford fue inventado en 1919 por la Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company como un método para ayudar a prevenir esta situación y, por lo tanto, reducir sus reclamaciones de seguros. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Cuando el agua hierve, el resultado es vapor saturado , también conocido como "vapor húmedo". El vapor saturado, aunque se compone principalmente de vapor de agua, contiene agua sin evaporar en forma de gotitas. El vapor saturado es útil para muchos fines, como cocinar, calentar y para la higiene , pero no es deseable cuando se espera que el vapor transmita energía a 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 a medida que el vapor viaja desde la caldera hasta la maquinaria provoca condensación, lo que resulta en la entrada de agua líquida en la maquinaria. El agua arrastrada por el vapor puede dañar las palas de la turbina o, en el caso de una máquina de vapor de pistón , puede causar graves daños mecánicos debido al bloqueo hidrostático .

Las calderas de vapor sobrecalentado evaporan el agua y luego calientan aún más el vapor en un sobrecalentador , lo que provoca 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 gaseoso, no contendrá una cantidad significativa de agua sin evaporar. Además, será posible una mayor presión de vapor que con el vapor saturado, lo que permite que el vapor transporte más energía. Aunque el sobrecalentamiento añade más energía al vapor en forma de calor, no tiene efecto sobre la presión, que está determinada por el caudal al que se extrae el 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 global 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 de un sobrecalentador es similar al de las serpentinas de un sistema de aire acondicionado, aunque con una finalidad diferente. La tubería de vapor se dirige a través del conducto de gases de combustión en el horno de la caldera, una zona donde la temperatura suele oscilar entre 1300 y 1600 grados Celsius (2372 y 2912 grados Fahrenheit) . Algunos sobrecalentadores son de tipo radiante, que, como su nombre indica, absorben el calor por radiación. Otros son de tipo convectivo, absorbiendo el calor de un fluido. Algunos combinan ambos tipos. Mediante cualquiera de los dos métodos, el calor extremo en el conducto de gases de combustión también calienta 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 operación. Una consideración importante es la introducción del agua de alimentación a la caldera. La bomba utilizada para cargar la caldera debe ser capaz de superar la presión de operación de la misma; de lo contrario, el agua no fluirá. Dado que una caldera sobrecalentada generalmente opera a alta presión, la presión del agua de alimentación correspondiente debe ser aún mayor, lo que exige un diseño de bomba más robusto.

Otro aspecto importante es la seguridad. El vapor sobrecalentado a alta presión puede ser extremadamente peligroso si se escapa accidentalmente. Para que el lector se haga una idea, las plantas de vapor utilizadas en muchos destructores de la Armada estadounidense construidos durante la Segunda Guerra Mundial operaban a una presión de 600 psi (4100 kPa ; 41 bar ) y un sobrecalentamiento de 850 grados Fahrenheit (454 grados Celsius) . En caso de una rotura importante del sistema, un peligro constante en un buque de guerra durante el combate , la enorme liberación de energía del vapor sobrecalentado que escapa, expandiéndose a más de 1600 veces su volumen confinado, equivaldría a una explosión catastrófica, cuyos efectos se verían exacerbados por la fuga de vapor en un espacio confinado, como la sala de máquinas de un barco . Además, pequeñas fugas que no son visibles en el punto de fuga podrían ser letales si una persona se interpusiera en la trayectoria del vapor que escapa. Por lo tanto, los diseñadores se esfuerzan por dotar a los componentes del sistema que manejan el vapor de la mayor resistencia posible para mantener su integridad. Para evitar fugas, se utilizan métodos especiales de acoplamiento de tuberías de vapor. En sistemas de muy alta presión, se emplean juntas soldadas para evitar problemas de fugas con conexiones roscadas o con juntas .   

Generador de vapor supercrítico

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 MPa ) que la turbulencia física que caracteriza la ebullición deja de producirse; el fluido no es ni líquido ni gas, sino un fluido supercrítico. No se generan burbujas de vapor en el agua, ya que la presión está por encima del punto 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 desciende por debajo del punto crítico al realizar trabajo para hacer girar la turbina, que a su vez hace girar el generador eléctrico del que finalmente se extrae la energía. En ese punto, el fluido puede ser una mezcla de vapor y gotas de líquido al pasar al condensador . Esto resulta en un consumo de combustible ligeramente menor 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.  

Una caldera de combustible necesita aire para oxidar el combustible. Las primeras calderas proporcionaban este flujo de aire, o tiro , mediante la convección natural en una chimenea conectada a la salida de la cámara de combustión. Dado que los gases de combustión calientes son menos densos que el aire ambiente que rodea la caldera, ascienden por la chimenea, atrayendo aire fresco y más denso hacia la cámara de combustión.

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 dificultan lograr un tiro adecuado y, por lo tanto, hacen que los equipos de tiro mecánico sean mucho más fiables y económicos.

Los tipos de tiro también se pueden dividir en tiro inducido , donde se extraen los gases de escape de la caldera; tiro forzado , donde se introduce aire fresco en la caldera; y tiro equilibrado , donde 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 basa en el uso de un chorro de vapor. Este chorro, orientado en la dirección del flujo de gases de combustión, los introduce en la chimenea, lo que permite una mayor velocidad de los gases y, por consiguiente, un mayor tiro en el horno. Este método era común en las locomotoras de 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.

La ventilación forzada mecánica se logra mediante un ventilador que impulsa el aire hacia la cámara de combustión. 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 ventilación forzada generalmente funcionan con presión positiva.

El tiro equilibrado se consigue 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 numerosos conductos. El ventilador de tiro inducido funciona conjuntamente con el de tiro forzado, lo que permite mantener la presión del horno ligeramente por debajo de la atmosférica.

• "Cálculos de calderas" . Cálculos de calderas de Dabonn Energy . Consultado el 11 de febrero de 2020 .