Caldera (máquina)

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Calderas de gas.

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[editar]

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[editar]

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
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[editar]

Equipo auxiliar de caldera
Lado de Español Inglés Descripción
Fuego Precalentador de aire Air preheater
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.

Material[editar]

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)
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.
Acero En tiempos recientes, por el alto precio del cobre.
Supercalentador Acero inoxidable ferritico

Combustible[editar]

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

Agua[editar]

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[editar]

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[editar]

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[editar]

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

Tipos[editar]

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 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
Generador de vapor instantáneo Flash
Anular de tubos de agua Annular water tube
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
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
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

Uso[editar]

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[editar]

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[editar]

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[editar]

Referencias[editar]

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

Enlaces externos[editar]