Aplicaciones y procesos

Proceso: Dependerá de la aplicación industrial que estemos tratando. Aplicaciones habituales son:

• Esterilización: caso de calderas hospitalarias.
• Calentamiento de otros fluidos: por ejemplo, en la industria del petróleo, donde el vapor se utiliza para calentar petróleos pesados y mejorar su fluidez; similar en buques.
• Generación de electricidad: a través del ciclo de Rankine, donde la caldera es un elemento fundamental de las centrales termoeléctricas.

Combustible

Combustible: material capaz de liberar energía cuando se oxida, desprendiendo calor. Su energía procede de lo que químicamente conocemos como enlaces. Existe una gran diversidad de combustibles en el mercado y múltiples opciones nuevas que van apareciendo. Los requisitos de la combustión definirán enormemente las características de nuestra caldera, siendo completamente distinta la preparación del hogar para quemar gasóleo que para quemar pellets.

Los parámetros principales del combustible son: poder calorífico, estado físico, posibilidades de alimentación, aportación de oxígeno necesaria, y emisión de gases. No hay que olvidar que, cuando hacemos referencia a las calderas de recuperación de los motores, estas trabajan ya con los gases.

Fluido o medio de transporte

Es decir, el fluido al que transferiremos el calor obtenido del combustible para acercarlo y/o utilizarlo en el proceso. Pueden ser:

• Agua a presión atmosférica (100 ºC aprox.).
• Agua a presión mayor que atmósfera (líquida por encima de 100 ºC — consultar tablas de vapor).
• Vapor (saturado o recalentado).
• Aceites térmicos, líquidos a temperaturas más altas (300–400 ºC o superiores).

Las calderas que utilizan estos fluidos (aceites térmicos) son más simples debido a que no hay cambios de fase.

Vapor (de agua)

El vapor es agua en fase gaseosa, que se forma cuando el agua hierve o se evapora. El vapor en sí es invisible; cuando hablamos de vapor húmedo coexisten gotitas de agua condensada que forman la neblina que vemos. El agua hierve a presión atmosférica a una temperatura de 100 ºC. A bajas presiones (por ejemplo, en lo alto de una montaña) el agua hierve a una temperatura inferior; por cada 300 m de altura, el punto de ebullición del agua se reduce aproximadamente 1 ºC. Por el contrario, la temperatura aumenta si la sometemos a altas presiones. Esta propiedad la aprovechamos en las calderas para almacenar más cantidad de energía en el agua/vapor.

Calderas fumitubulares

Definición: calderas donde los gases de combustión circulan por los tubos (normalmente corrugados), mientras que el agua rodea dichos tubos.

Ventajas:

• Construcción simple y compacta.
• Fáciles de limpiar.
• Mantenimiento más sencillo.

Desventajas:

• Es necesaria mayor cantidad de agua y más tiempo para alcanzar la temperatura.
• La respuesta térmica es más lenta.
• El contenedor de agua/vapor puede llegar hasta los 4 metros; a mayor diámetro se necesita mayor espesor de chapa.

Aplicaciones industriales: normalmente no para presiones mayores a 18 bar.

Evolución

Las primeras estaban hechas de ladrillo refractario, material cerámico que resiste las altas temperaturas. Se usaban formas cilíndricas sin tubos. Posteriormente, la cámara de combustión se constituyó con un tubo concéntrico a la envolvente, corrugado, que minimiza las tensiones creadas por efecto de la dilatación de la cámara de combustión y aumenta la superficie de transmisión de calor.

Funcionamiento y elementos

En el hogar arde el combustible (inicialmente carbón); el aire necesario llega a través del cenicero. Los gases calientes resultantes de la combustión pasan a la caja de fuegos donde terminan de arder, atraviesan el haz tubular y ceden el calor al agua, pasando luego a la caja de humos y, desde allí, a la chimenea. El calor de la combustión pasa al agua a través de las paredes del horno, el haz tubular y la caja de fuegos, quedando parte de la energía perdida al ambiente.

Componentes principales

• Horno: contiene el hogar y el cenicero.
• Hogar: parte superior, por encima de la parrilla, donde se produce la combustión.
• Cenicero: ubicado bajo la parrilla.
• Caja de fuegos: pieza que contiene la parrilla y conecta con el haz de tubos.
• Tubos: por los que circulan los gases y a través de los cuales se cede el calor al agua.
• Haz tubular: conjunto de tubos.
• Caja de humos: conducto que conecta el haz tubular con la chimenea; su función es conducir y dirigir los gases de combustión hacia la chimenea.

Problemas y soluciones

Uno de los problemas principales de esta configuración son las formas planas de las cajas de fuegos y humos, que tienden a deformarse. Algunas soluciones son:

• Aumentar el espesor (incremento de coste).
• Utilizar formas esféricas (pero empeora el flujo de gases).
• Disponer tirantes: varillas de acero con rosca en las puntas que trabajan a tracción e impiden la deformación; para colocarlos es necesario taladrar la tapa y poner juntas que hagan la caldera estanca.

Caldera cilíndrica de llama en retorno

Las llamas y los humos de la combustión realizan una ida y vuelta por el sistema de haces tubulares. La caldera debe ser de mayor diámetro (3 o 4 m). El interior es similar al tipo de caldera de un solo paso de humos; básicamente se basa en la idea de que los gases conservan suficiente energía para seguir cediéndola al agua. Usando este sistema recuperamos parte de la energía. Los tubos que transportan el humo están sumergidos y hay puentes de refuerzo para evitar deformaciones.

Caldera Howden Johnson

Caldera de fuego pasante; el horno va del frente al fondo y el número de hornos suele ser 3. Una novedad es que aprovecha la diferencia de presiones del agua entre la parte inferior y la superior de la caldera: el agua de la parte inferior sube a la superior y la de la parte superior baja. El vapor saturado producido es conducido, antes de su salida de la caldera, a un último serpentín donde recibe un aporte adicional de calor procedente de los gases; así se obtiene vapor recalentado.

Diferencias respecto a las calderas de retorno anteriores:

• La caja de fuegos está fuera de la caldera (no está en contacto con el agua).
• Existencia de tubos de bajada de agua que comunican la parte superior con la inferior, favoreciendo las corrientes de convección.
• Si la caja de fuegos es grande, puede contener un recalentador para producir vapor recalentado.

Caldera fumitubular actual

Los gases hacen un recorrido mayor; incluso existen tubos exteriores de retorno. La caja de fuegos puede estar fuera de la caldera o sujeta con virotillos. Existen dos posibilidades de montaje:

Wet Back

Caldera que tiene la caja de fuegos totalmente rodeada por agua. Son calderas grandes cuya caja de fuegos no puede conectarse al exterior sin grandes pérdidas por conducción; permiten reparar o sustituir los tubos desde dentro del hogar. Contienen mucha agua, por lo que son pesadas y tardan en calentarse. Tienen gran inercia térmica; deben encenderse poco a poco y pueden necesitar hasta 24 horas para ponerse en funcionamiento.

Dry Back

Fondo seco; calderas de menor tamaño en las que es imposible acceder a la reparación de los tubos desde el hogar. Suelen ser de baja presión (por debajo de 15 bares).

Partes de la caldera acuotubular

Las calderas acuotubulares están diseñadas para trabajar a alta presión y generar grandes caudales de vapor. Un primer diseño es el de las llamadas calderas tipo D, calderas acuotubulares de circulación natural. Están constituidas por:

• Colector superior, que separa el vapor de la mezcla vapor/agua.
• Colector inferior.
• El hogar o cámara de combustión, cuyas paredes y techo están formados por tubos de agua.
• Deflector de gases, que dirige los gases evitando que vayan directamente a la salida, obligándolos a recorrer el camino deseado.
• Recalentador de aire, situado en la parte superior del escape; el aire comburente, mediante un ventilador, pasa por él hacia la cámara de combustión.
• Cabezal: tubo más grueso, de sección cuadrada o circular, que recibe los tubos.
• El combustible se pulveriza e inyecta a presión dentro del hogar, produciéndose su combustión directamente.
• Los tubos del hogar enfrían la zona de combustión localmente debido al elevado coeficiente de transferencia por convección del agua evaporada.
• Para compensar diferencias de eficiencia en la convección se disponen aletas.

Problemas y soluciones

Tubos horizontales en los que la circulación natural puede dificultarse debido a la formación y permanencia de películas de gotas de vapor indeseables. Aunque existen bombas de alimentación, la circulación suele ser natural. Soluciones:

• Diseñar el suelo inclinado (no horizontal), lo cual dificulta las inspecciones pero mejora la circulación.
• Colocar una capa de ladrillo refractario encima para limitar la radiación de la llama.

Disposición de hileras y recalentadores

Las hileras de tubos vaporizadores reciben directamente la radiación de la llama; las hileras posteriores reciben menor radiación. Es importante la colocación del recalentador tras las 3 o 4 primeras hileras para evitar radiación excesiva. El coeficiente de convección del vapor que pasa por el recalentador es pequeño, por lo que el tubo se calienta mucho por efecto de la llama. Deben evitarse temperaturas superiores a 800 ºC, ya que el acero pierde propiedades mecánicas. Este problema no se presenta en los tubos por los que circula agua en evaporación, donde sí existe un elevado coeficiente de convección.

Disposición en calderas marinas

• Los colectores están inclinados.
• El economizador está formado por tubos aleteados formando serpentines.
• En un buque, la caldera va colocada por encima de turbinas, condensadores, etc., en la cubierta más alta.
• Para su sujeción se emplean apoyos deslizantes que permiten cierto movimiento producido por contracciones y dilataciones de la estructura.

Foster Wheeler se caracteriza porque el recalentador está dividido en dos fases y situado en el conducto de salida de los gases. Entre las dos fases de recalentamiento el vapor es conducido al atemperador, formado por un conjunto de vasos tubulares que permiten el intercambio térmico. El atemperador está situado en el conducto de alimentación de aire de la caldera; el conducto está dividido en dos partes que se alimentan del mismo aire de entrada y en la de salida está situado el atemperador. Unas válvulas sincronizadas controlan el paso de aire hacia una u otra parte, regulando la cantidad de calor cedido del atemperador al aire.

El calor que pasa del vapor al aire no se pierde, pues aumenta la temperatura del aire y posteriormente se utiliza para la combustión, transformándose en gases térmicos. Las dos fases de recalentado podrían reducirse a una, pero se realizan en dos etapas para evitar una pérdida excesiva de temperatura y la condensación del agua que podría dañar los componentes de la turbina, obteniendo vapor seco de manera segura.

Diseño: caldera ESDII y atemperado

El diseño ESDII es una evolución natural del ESDI, tratando de evitar los costes y el aumento de espacio que el atemperador de aire suponía. En esta nueva configuración, en lugar de enfriar el recalentado, se regula el recalentado en función de lo requerido. Un damper, de manera manual o mediante una termostática, dirige el paso de los gases hacia el economizador o hacia el recalentador según se precise. En este sistema de atemperado controlamos el paso de los gases de la combustión para regular la temperatura final.

Componentes asociados al hogar y la combustión

• Quemador: fuente de calor basada en la combustión de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos.
• Entrada / calentador de aire: por el que se aporta el comburente para la reacción de combustión.
• Cámara de combustión o fogón: parte de la caldera en la que se lleva a cabo la combustión. Se clasifican según su ubicación/tipo de combustible (sólido, líquido o gas) y tipo de construcción (lisos o corrugados).
• Puerta: pieza de metal con bisagras, usualmente revestida con doble pared o ladrillo refractario. Incluida en calderas que se alimentan con combustibles sólidos (carbón, leña, pellet).
• Emparrillado: presente en calderas que utilizan combustibles sólidos; consta de piezas metálicas dispuestas en rejilla que permiten el paso del aire y el paso de cenizas hasta el cenicero. Debe facilitar la limpieza y evitar la acumulación de escoria. Las parrillas pueden ser fijas, móviles o rotativas y pueden estar dispuestas horizontal, inclinada o escalonada.
• Cenicero: recipiente que recoge las cenizas. Debe limpiarse periódicamente para permitir el paso de aire. En algunos modelos el cenicero es un depósito de agua. Incluye una puerta para extracción y regulación de aire.
• Altar: muro de ladrillo refractario que sobresale unos 30 cm sobre la parrilla, ubicado en el extremo opuesto a la puerta del hogar; evita la salida de partículas y escoria al cargar combustible y favorece la distribución uniforme del aire para una combustión completa.

Aislamiento, mampostería y conductos

Mampostería: construcción realizada con ladrillos comunes o refractarios que cubre la caldera para evitar la pérdida de calor al exterior. También canaliza los gases y humos en su recorrido. Con frecuencia se dejan espacios huecos entre sus paredes para evitar el paso de calor. Algunos modelos emplean lana de vidrio y planchas metálicas. En modelos recientes que utilizan combustible sólido se ha eliminado la mampostería y se han usado aislamientos térmicos en las cajas de humo y en el cuerpo de la caldera.

Conductos de humos: permiten la circulación de los humos y gases calientes producidos por la combustión. En su interior se realiza la transmisión de calor al agua de la caldera.

Caja de humo: espacio interior donde confluyen los humos y gases después de entregar calor y antes de su evacuación por la chimenea.

Chimeneas: elementos que conducen los gases y humos al exterior; su altura debe ser suficiente para evitar molestias al personal y producir la evacuación necesaria para una combustión adecuada.

Templador o regulador de tiro: compuerta de metal instalada en el conducto de humo o integrada en la chimenea que permite regular el flujo de gases y humos de la combustión. Originalmente era accionada por el operador para regular el flujo de aire de la combustión.

Puertas de inspección o tapas de registro: aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar el interior de las calderas. Pueden ser de tamaño para paso de persona (puerta de hombre) o de registro para inspección y lavado. Incluyen sellos herméticos y pernos de apriete; algunos orificios son cilíndricos y se sellan con tornillos.

Cerramiento con paredes de agua

Al hablar del hogar, la envolvente de la caldera debe contener de forma segura los humos y el aire, presurizados y a altas temperaturas. Al diseñar los sistemas de estanqueidad hay que tener en cuenta una serie de factores:

• Los cerramientos o sistemas de estanqueidad deben soportar efectos de altas temperaturas (hasta 2000 ºC en ciertas zonas).
• La acción de la ceniza provoca reacciones químicas que pueden dañar el metal de los tubos y/o el refractario.
• La acumulación de ceniza sobre las paredes de agua reduce notablemente la absorción de calor.
• La ceniza acumulada puede desprenderse y provocar lesiones al personal y daños al equipo.
• Altas velocidades de partículas de ceniza en polvo pueden erosionar las partes a presión y el refractario.
• Se deben tomar medidas para permitir la expansión de los cerramientos y de los componentes ligados a ellos.
• El sistema de vigas estructurales del cerramiento debe resistir la expansión térmica, solicitaciones de presión y temperatura, y posibles cargas por viento y terremotos según el emplazamiento.
• Hay que considerar efectos de explosiones o implosiones para reducir la probabilidad de lesiones al personal y daños al equipo.
• Limitar las vibraciones debidas a la combustión y al flujo de humos y aire, manteniéndolas en valores aceptables.
• El aislamiento de los cerramientos debe limitar las pérdidas hasta un mínimo económico.
• La temperatura exterior de la unidad y la del ambiente no deben causar molestias ni riesgos al personal.
• Los cerramientos deben ser estancos a gases para minimizar infiltraciones y fugas.
• Los cerramientos pueden requerir lavados periódicos; por ello deben ser estancos al agua e incluir accesos para inspección y mantenimiento.

Los cerramientos con paredes de agua responden a todos los aspectos reseñados y constituyen la estructura básica de cerramiento en unidades modernas, empleadas especialmente en zonas de alta temperatura del sistema de estanqueidad.

Tubos: refrigeración por agua o vapor.