Maquinas Termodinamicas: Las Calderas

Historia de las calderas

CuandoJames Wattobservó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias.

Las primeras calderas 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, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua). Hasta principios del siglo XIX se usó la caldera para teñir ropas, producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin creó una pequeña caldera llamadamarmitaen 1769. 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. Luego de otras experiencias, James Watt completó en 1776 una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

Inicialmente fue empleada como máquina para accionarbombas de agua, de cilindros verticales; fue la impulsora de larevolución industrial,

Tipos de calderas

· Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.

· Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape. No confundir esta definición con la de un intercambiador de calor.

Elementos, términos y componentes de una caldera

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 condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor.
Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones.
Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada.
Condensador: sistema que permite condensar el vapor.
Estanque de acumulación: es el estanque de acumulación y distribución de vapor.
Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.
Purga de fondo: evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera.
Purga de superficie: evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.
Fogón u hogar: alma de combustión del sistema, para buscar una mejora continua de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera.
Combustible: material que produce energía calórica al quemarse.
Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada.
Ciclos de concentración: número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación.
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.
Desoxigenación: tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas.
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.
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.
Anticorrosivo: sistema químico que brinda protección por formación de filmes protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.
Corrosión: véase Corrosión
Índice de vapor/combustible: índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera.

Componentes de una caldera

La estructura real de una caldera dependerá mucho del tipo que sea. No obstante, de forma general, podemos describir las siguientes partes:

Quemador: sirve para mezclar el combustible con aire y quemarlo.

Hogar: alberga el quemador en su interior, y en él se realiza la combustión del combustible y la generación de los gases calientes.

Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua tiene lugar a través de su superficie. También en ella se generan las burbujas de vapor.

Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida en suspensión en la corriente de vapor.

Economizador: es un equipo de intercambio de calor para precalentar el agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.

Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.

Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

Medidas de eficiencia

Se mencionan sefuidamente serie de recomendaciones prácticas para a optimizar explotación de calderas para generación de energía en plantas industriales:

Reducción de las pérdidas de calor

Defectos en el aislamiento térmico.

Fugas por bridas, prensas de válvulas, etc.

Funcionamiento correcto del sistema de recuperación de condensados.

Mejora del rendimiento y del funcionamiento: Funcionamiento correcto de las calderas, comprobando, especialmente, los siguientes parámetros:

Hollín: Se produce en combustiones incompletas. Ajustar quemadores, y realizar labores de limpieza.

Estanqueidad: Pueden producirse entradas parásitas de aire, o fugas de humos (atención al CO). Detectar y corregir.

Ventilación: Una entrada insuficiente de aire exterior puede empobrecer el contenido de oxígeno en el aire comburente, y disminuir la eficiencia de la combustión. Mantener los huecos, o rejillas de entrada libres y limpios.

Chimeneas: Extraer periódicamente los hollines depositados generalmente en su base, que pueden obstruir parcialmente la salida de humos, influyendo negativamente en el tiro y, por tanto, en la combustión. Además, el hollín contiene restos de azufre que en contacto con el agua de lluvia puede producir ácido sulfúrico que corroe las paredes metálicas.

Condensaciones en los humos: Impedir que las temperaturas de entrada de los fluidos a los economizadores o recuperadores de calor descienda por debajo del punto de rocío del anhídrido sulfuroso/sulfúrico de los humos (aprox. 130ºC), para impedir su condensación y formación de ácido sulfúrico.

Incrustaciones en las superficies de intercambio de calor: Verificar sistemáticamente la buena calidad del agua de alimentación y, sobre todo, del agua de caldera. Las incrustaciones en estas superficies dificultan la transmisión de calor a través de ellas disminuyendo sensiblemente el rendimiento. Puede llegar incluso, a formarse una capa tan gruesa, que impida la refrigeración de los tubos o, lo que es peor, del hogar ondulado en las calderas pirotubulares, originando su rotura o aplastamiento.

Funcionamiento correcto de los quemadores, prestando especial atención a los siguientes aspectos:

Comprobar que la pulverización se realiza correctamente con los combustibles líquidos. Verificar y limpiar sistemáticamente las cabezas de pulverización mecánica, o asistida, o por centrifugación.

Seguir meticulosamente las instrucciones del fabricante para situar exactamente los elementos en su posición correcta, manteniendo las distancias prescritas. De no ser así, se provocan encendidos defectuosos, combustiones incompletas y, como consecuencia, descenso del rendimiento.

Regulación y control de los sistemas comprobando su buen funcionamiento, especialmente en lo concerniente a:

Caudales, temperaturas y presiones de los combustibles.
Caudales, temperaturas y presiones del agua de alimentación.
Caudales, temperaturas y presiones del vapor, o del agua sobrecalentada que genera la caldera.
Valores de consigna y bandas de actuación de los distintos sistemas.
Actuación correcta de las protecciones y elementos de seguridad mecánicos y eléctricos.
Revisión y comprobación de función de cuadros eléctricos.