Caldera (máquina)

En la industria, la caldera es una máquina que produce vapor al calentar agua por medio del calor generado por el consumo de un combustible no nuclear, o por electricidad de resistencia.^[1]

Descripción

Las calderas se utilizan para muchos rubros (industria alimentaria, sanidad, transporte, etc.). Sin embargo, se denomina generador de vapor específicamente a las calderas destinadas a generar energía térmica. Son un componente del ciclo Rankine, y además de una caldera, puede ser un BWR, un PWR con su intercambiador de calor, un HRSG, etc.

Partes

Partes de caldera
Lado de	Español	Inglés
Estructura	Carcasa	Shell
	Enladrillado	Brickwork
	Arco de ladrillo	Brick arch
	Puerta de inspección	Inspection doors
	Puerta de Registro	Man hole
Fuego	Chimenea	Chimney
	Amortiguador	Damper
	Válvula de soplado	Blow off valve
	Caja de humos	Smoke box
	Fogón (Hogar)	Fire box
	Puerta de fogón	Fire door
	Pozo de cenizas	Ash pit
Agua	Indicador de nivel de agua	Water level gauge
	Manómetro	Pressure gauge
	Válvula antirretorno de alimentación	Feed check valve
	Válvula de detención de vapor	Steam stop valve
	Válvula de seguridad	Safety valve
	Obturador fusible	Fusible plug
	Domo de vapor	Steam dome
		Boiler stay
	Sifón térmico	Thermic siphon
	Sobrecalentador	Superheater
	Recalentador	Reheater
	Economizador	Economizer (Economiser)

Equipo auxiliar

Equipo auxiliar de caldera
Lado de	Español	Inglés	Descripción
Fuego	Precalentador de aire	Air preheater
Fuego	Desgasificador		Es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.
Agua	Condensador		Es un intercambiador de calor que condensa el vapor saturado ya utilizado en un ciclo cerrado. Su propósito es evitar la contaminación, reutilizando el agua.
	Bomba de alimentación de caldera	Boiler feedwater pump
	Calentador de agua de alimentación	Feed water heater
	Acumulador		Es el recipiente que almacena el vapor generado, previo a su distribución al proceso que lo requiere.

Las partes de la máquina

Materiales de caldera
Parte	Material	Característica	En el período
Carcasa	Hierro forjado	Único material de más alto grado. Unido por remaches.	En la era Victoriana del vapor. Obtenido por especialistas, como los del área de Cleator Moor (RU)
Carcasa	Acero	Más fuerte y barato, fabricado más rápido y con menos esfuerzo. Unido por soldadura.	En el siglo XX
Carcasas (de caldera calentada eléctricamente)	Acero inóxidable		Es permitido.
Fogón	Cobre	Formabilidad y alta conductividad térmica.	Históricamente, especialmente, para locomotoras.
Fogón	Acero		En tiempos recientes, por el alto precio del cobre.
Supercalentador	Acero inoxidable ferritico

Combustible

Combustibles: carbón, aceite, gas natural, biocombustibles como el bagazo.

Agua

Estado del agua de caldera
Estado	Descripción
Agua de condensado	Es el agua que proviene del condensador y que representa la calidad del vapor.
Agua de alimentación	Es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización.
Agua de calderas	Es el agua de circuito interior de la caldera, cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada.
Vapor húmedo (Vapor saturado)	Es el vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada.
Vapor seco (Vapor sobresaturado)	Es el vapor de óptimas condiciones.

Purga

Purgas de caldera
Purga	Descripción
de superficie	Evacuación de sólidos en el nivel de agua de la caldera.
de fondo	Evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera.

Propiedades y parámetros

Propiedades y parámetros de caldera
Propiedad / parámetro	Descripción
Alcalinidad	Nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO₃ que confiere una concentración de iones, carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5.
Ciclos de concentración	Número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación.
Índice de vapor / combustible	Índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera.

Eficiencia

Eficiencia de caldera
Método de Entrada - Salida (Método directo)
Eficiencia de caldera = potencia (salida) / potencia (entrada) = (Q * (Hg - Hf)) / (q * GCV) * 100%
Símbolo	Nombre	Unidad
Hg	Entalpía de vapor saturado	kcal/kg
Hf	Entalpía de agua de alimentación	kcal/kg
GCV	Gran valor calorífico	kcal/kg
Q	Tasa de flujo de vapor	kg/h
q	Tasa de combustible utilizado	kg/h

Para determinar el rendimiento de la caldera se utiliza el poder calorífico inferior ya que los gases de combustión suelen estar a una temperatura superior que la de condensación de vapor por lo que no contribuye el calor latente del agua al calor generado. Sólo hay aporte de energía por la oxidación química del combustible.

Tipos

Tipos de caldera
Español			Inglés
Tipo	Subtipo	Caldera	Boiler
de olla			Pot
		de Haycock (de Haystack)	Haycock (Haystack)
		de Napier	Napier
		Gótica	Gothic
		de Caja	Box
	de Vagón		Wagon
		Terminada en huevo	Egg ended
		de Elefante	Elephant
de ducto			Flued
	de Ducto central		Centre flue
		Fairbairn de cinco tubos	Fairbairn's five-tube
		de Cornualles	Cornish
		de Mariposa	Butterfly
		de Lancashire	Lancashire
		de Galloway	Galloway
	de Ducto de retorno		Return flue
	de Ducto de retorno	de Huber	Huber
Pirotubular			Fire tube
			Immersion fired
		de Fairbairn - Beeley	Fairbairn - Beeley
	Horizontal		Horizontal
		Transversal	Transverse
		de Pistola	Pistol
		de Locomotora	Locomotive
		de Cañonero	Gunboat
		Marina escocesa	Scotch marine
		de Inglis	Inglis
		de Paxman "económica"	Paxman "economic"
		Tubo directo tipo Almirantazgo	Admiralty type direct tube
	Tipo lanzada		Launch type
		de Lentz	Lentz
		de Vanderbilt	Vanderbilt
		de Bagnall	Bagnall
	Vertical		Vertical
		de Blake	Blake
		de Harris "económica"	Harris "economic"
		de Riley brothers	Riley brothers
		de Tubo paralelo	Parallel tube
		de Cochran	Cochran
		de Clarke Chapman	Clarke Chapman
		de Tubo radial horizontal	Radial horizontal tube
		de Robertson	Robertson
Acuatubular			Water tube
	de Tubo en campo		Field tube
		de De Poray	De Poray
		de Niclausse	Niclausse
		de Dürr	Dürr
	Bajo contenido de agua		Low water content
	Bajo contenido de agua	Generador de vapor instantáneo	Flash
	Anular de tubos de agua		Annular water tube
	Anular de tubos de agua	de Straker	Straker
	Vertical		Vertical
		de Tubo de Dedal	Thimble tube
		de Sentinel	Sentinel
	de Tubos espirales de agua		Spiral water tube
		de Climax	Climax
		de Lune Valley	Lune Valley
		de Bolsover express	Bolsover express
		de Illingworth	Illingworth
	1 Tambor		1 Drum
		de Babcock & Wilcox	Babcock & Wilcox
		de Tubos de esquina	Corner tube
		de Tubos en racimo	Bundled tube
		de Hornsby	Hornsby
		de Circulación forzada	Forced circulation
		de LaMont	LaMont
		de Clayton	Clayton
	2 Tambores		2 Drums
	2 Tambores	Tipo D	D type
	3 Tambores		3 Drums
		de Stirling V	Stirling V
		de Du Temple	Du Temple
		de White Forster	White Forster
		de Normand	Normand
		de Reed	Reed
		de Thornycroft	Thornycroft
		de Thornycroft Schultz	Thornycroft Schultz
		de Yarrow	Yarrow
		de Mumford	Mumford
		de Woolnough	Woolnough
		del Almirantazgo	Admiralty
	4 Tambores		4 Drums
		Tipo M	M type
		de Stirling B	Stirling B
	5 Tambores		5 Drums
	5 Tambores	de Stirling W	Stirling W
Pirotubular con fogón de tubos de agua			Fire-tube with Water-tube firebox
Seccional			Sectional
Eléctrica			Electric
		Eléctrica de vapor	Electric steam
		Eléctrica de agua	Electric water
		de Electrodo	Electrode

En la medida que la temperatura del vapor no supere los 230 °C, puede ser generado por una caldera humotubular. La temperatura de los humos de salida es de 300 °C porque sino daña el conducto y perjudica la atmósfera. Para una caldera acuotubular debe ser mayor a 380 °C, nunca por debajo para que el agua no sufra cambio de fase y no se genere daño por corrosión.

Uso

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:

Esterilización (tindarización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).
Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petróleos pesados y mejorar su fluidez.
Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

Problemas

Problemas de caldera
Problema	Tratamiento	Descripción
Corrosión	Anticorrosivo	Sistema químico que brinda protección por formación de filmes protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.
Incrustación		Sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera.
	Desoxigenación	Tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas.
	Dispersante	Sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación.
	Antiincrustante	sistema químico que les permite a los sólidos permanecer incrustantes en solución.

Historia

En 1769, Dionisio Papin (Denis Papin) creó una pequeña caldera llamada marmita. Se usó vapor para mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse, ésta dejaba de producir trabajo útil.

En 1776, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica. Con ello se empezó a desarrollar la fabricación de calderas. Inicialmente, las calderas fueron empleadas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales; fueron las impulsoras de la revolución industrial.

Las primeras, las calderas de olla, tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a esto, se introdujo el uso de uno o dos tubos adentro de la caldera para aumentar la superficie de calefacción, calderas de ductos. Luego, se comienza a utilizar calderas en locomotoras para trenes, tanto de carga como de pasajeros; y se prueba su uso en automóviles.

Se mejoran las calderas con la introducción de las calderas pirotubulares, que tienen varios tubos por los que pasan los gases de la combustión. Empiezan a utilizarse en embarcaciones con motores alternativos de vapor. Una mejora de las calderas estacionarias, es implementado en buques de guerra, las calderas acuotubulares, que tienen tubos por los que pasa agua. La ventaja de está, es la velocidad de reacción, es más fácil y rápido evaporar poca agua en unos tubos que mucha agua en una olla. Esta favoreció su uso en buques de guerra.

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33 000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/s, valor que denominó Horse Power. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/s. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo caballo de vapor en homenaje a Watt.

Véase también

Referencias

↑ Nogués y Guerrero, Jesús (1926). Elementos de máquinas y calderas (2 edición). Bilbao: Casa Dochao.

Enlaces externos

Thomasset, Carlos W. (2011). Pequeño Manual del Foguista.
Averías más frecuentes en calderas

Datos: Q3195517
Multimedia: Boilers / Q3195517

[1] Nogués y Guerrero, Jesús (1926). Elementos de máquinas y calderas (2 edición). Bilbao: Casa Dochao.

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