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Se le denomina caldera a una máquina industrial que sirve para producir vapor, cuya presión se usa para mover una turbina y para otras aplicaciones.

Calderas

ÍNDICE 1. Introducción 1.1 Elementos de una caldera 1.1.1 Cámara de agua 1.1.2 Cámara de vapor 2. Termodinámica de las calderas 3. Tipos de calderas 3.1 Calderas acuotubulares 3.2 Calderas pirotubulares 4. Comparativa de los dos tipos de calderas 4.1 Ventajas 4.2 Desventajas 5. Medida de la eficiencia 6. Normativa 7. Uso de calderas hoy en día

1. Introducción. Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que se creó una pequeña caldera llamada marmita (recipiente de la familia de las ollas que dispone de una tapa para aprovechar el Calderas.

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vapor, y una o dos asas). Se usó vapor para intentar 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 una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica. La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo. Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura. Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi−humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. 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/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt. 1.1

Elementos de una caldera: 1.1.1 Cámara de agua: Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15cm por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua. Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran, mediano y pequeño volumen de agua. Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua, se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí.

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Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua. Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción. Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido y debido a su reducida superficie producen poco vapor, adicionalmente son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas. Por otro lado, las calderas de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor, debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos. 1.1.2

Cámara de vapor

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor. El sistema de generación de vapor estará formado por: -Válvulas de seguridad -Válvulas reguladoras de flujo -Bomba de alimentación -Tanque de condensados -Trampas de vapor -Redes de distribución -Equipos consumidores -Sistemas de recuperación de calor

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Adicionalmente las calderas tienen dentro de su configuración gran cantidad de elementos en cuanto a operación y control.

2. Termodinámica de las calderas. A continuación se expone la estructura básica de una caldera:

Figura 1 Lo que sucede dentro de una caldera, es la evaporación del agua del interior de la misma, debido al aumento de temperatura producido por la llama de fuego que se le aplica. Con esta premisa, vamos a desglosar las magnitudes que intervienen en el proceso. -El vapor de agua sale por el puesto número 2 -El Q será positivo, pues se le aplica “calor” -El trabajo (W) será igual a 0, pues no hay cambio de volumen en el interior de una caldera. -La presión (P) es constante, pues se trata de un proceso isobárico. -Existe calor latente, pues el agua cambia de estado de agregación (de líquido a gas) - Para la temperatura pueden ocurrir dos casos, que estemos ante un proceso isotérmico, o que la T2>T1.

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*Con todo esto, pasamos a hacer el balance de energía según la primera Ley de la termodinámica. ̂ + ∆𝐸̂𝑝 + ∆𝐸̂𝑘 ) 𝑄̇ − 𝑊 = 𝑚̇(∆𝐻

Ec. 1

Donde: ̂ , es un * ∆𝐸̂𝑝 = Variación de energía potencial, será 0, pues comparado con ∆𝐻 valor ínfimo. ̂ , es un *∆𝐸̂𝑘 = Variación de energía cinética, será 0, pues comparado con ∆𝐻 valor ínfimo. ̂ ) Ec. 2 𝑄̇ = 𝑚̇(∆𝐻 Donde: ̂2 = 𝑈 ̂2 + 𝑃2 𝑉2 *𝐻

Entalpía a la salida

̂1 = 𝑈 ̂1 + 𝑃1 𝑉1 *𝐻

Entalpía a la entrada ∆𝐻 = ∆𝑈

Ec. 3

Obtenemos la Ec. 3 debido a que estamos ante un proceso isobárico y por tanto, 𝑃2 𝑉2 − 𝑃1 𝑉1=𝑃𝑉2 − 𝑃𝑉1 = 𝑃(𝑉2 − 𝑉1 ). Teniendo en cuenta que no hay cambio de volumen tampoco, la ecuación anterior, nos da 0. El estado de agregación al comienzo de nuestro proceso es líquido, y por tanto, las partículas estarán tremendamente ordenadas. Pero al salir por la parte 2 de la caldera, saldrá convertido en vapor, y por tanto, las partículas estarán muy esparcidas, desordenadas. Debido a este desorden, se produce una elevación de la energía interna de nuestro sistema, y por ende, una elevada ∆𝐻 3. Tipos de calderas 3.1 Calderas acuotubulares: En estas calderas, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras exteriores de ellos. Son de pequeño volumen de agua. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en esfuerzos de tracción en toda su extensión. La limpieza de estas calderas se lleva a cabo fácilmente porque las incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos accionados mecánicamente o por medio de aire.

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La circulación del agua, en este tipo de caldera, alcanza velocidades considerables con lo que se consigue una transmisión eficiente del calor y por consiguiente, se eleva la capacidad de producción de vapor. En la “figura 2” se representa una caldera con un solo tubo de agua. Sólo una rama del tubo se calienta, ya que la otra se encuentra protegida por una pantalla aisladora. En la rama izquierda, el calor calienta el agua, generando vapor y haciendo que ambos (agua y vapor) se muevan hacia arriba. Esta mezcla entra al colector y el agua fría pasa a ocupar su lugar en el tubo calentada. El agua fría se encuentra en el tubo no calentado y en la parte inferior del colector. De esta forma, existe un movimiento continuo de agua-vapor en la dirección que señalan las flechas, en las que siempre la mezcla de agua caliente y vapor sube al colector, mientras el agua fría del fondo del colector baja y ocupa el lugar de esta mezcla.

Figura 2

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Figura 3  Ejemplo de caldera acuotubular

3.2 Calderas pirotubulares: Como su nombre lo indica, en esta caldera el humo y los gases calientes circulan por el interior de los tubos y el agua se encuentra por el exterior. Estas calderas también son denominadas también igneotubulares o calderas con tubos múltiples de humo y pueden ser verticales u horizontales. Se caracterizan por disponer de tres partes bien definidas: 

Una caja de fuego donde va montado el hogar. Esta caja puede ser de sección rectangular o cilíndrica, es de doble pared, por lo que el hogar queda rodeado de una masa de agua.



Un cuerpo cilíndrico atravesado, longitudinalmente, por tubos de pequeño diámetro, por cuyo interior circulan los gases calientes.



Una caja de humos, que es la prolongación del cuerpo cilíndrico, a la cual llegan los gases después de pasar por el haz tubular, para salir hacia la chimenea. Estas calderas trabajan, casi siempre, con tiro forzado, el cual se consigue mediante un chorro de vapor de la misma caldera o utilizando vapor de escape de la máquina.

Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso, se les instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones del agua. En el caso de las calderas de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm sobre los tubos superiores.

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Figura 4

Figura 5  Ejemplo de caldera pirotubular 4. Comparativa de los dos tipos de caldera 4.1 Ventajas Acuotubulares Pirotubulares Menor peso por unidad de potencia Menor coste inicial, debido a la generada. simplicidad de diseño en comparación con las acuotubulares de igual capacidad. Por tener pequeño volumen de agua en Mayor flexibilidad de operación, ya que el relación a su capacidad de evaporación, gran volumen de agua permite absorber puede ser puesta en marcha rápidamente. fácilmente las fluctuaciones en la demanda. Mayor seguridad para altas presiones.

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Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación porque las incrustaciones formadas en el exterior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por Página 9

las purgas. Mayor eficiencia.

Facilidad de inspección, reparación y limpieza.

Son inexplosivas

4.2

Desventajas

Acuotubulares Su coste es superior

Pirotubulares Mayor tamaño y peso que acuotubulares de igual capacidad.

las

Deben ser alimentadas con agua de gran Mayor tiempo para subir la presión y pureza, ya que las incrustaciones en el entrar en funcionamiento. interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos. Debido al pequeño volumen de agua, le es Gran peligro en caso de exposición o más difícil ajustarse a las grandes ruptura, debido al gran volumen de agua variaciones del consumo de vapor, siendo almacenado. necesario hacerlas funcionar a mayor presión de la requerida. No son empleadas para altas presiones.

5. Medida de la eficiencia Se mencionan seguidamente una serie de recomendaciones prácticas para optimizar la explotación de calderas para generación de energía en plantas industriales: -

Reducción de las pérdidas de calor



Defectos en el aislamiento térmico.

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

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 limpias.



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.

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-

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.

6. Normativa En este apartado se comentará lo relativo a la normativa que se debe cumplir para todo lo relacionado con las calderas en España. Para ello, buscamos en los Boletines Oficiales del Estado y sacamos una ITC EP1, denominada “Calderas”. En el artículo 1 (ámbito de aplicación), se nos cuenta que “la presente Instrucción Técnica Complementaria (ITC) se aplica a la instalación, reparación e inspecciones periódicas de calderas y sus elementos asociados (economizadores, sobrecalentadores, etc.), contemplados en el Reglamento de equipos a presión”. También se dice que se “exceptúan de la aplicación de los preceptos de la presente ITC las siguientes calderas y sus elementos asociados: a) Las integradas en centrales generadoras de energía eléctrica incluidas en la ITC EP-2. b) Las integradas en refinerías y plantas petroquímicas incluidas en la ITC EP-3. c) Las de vapor y agua sobrecalentada clasificadas en el artículo 3.3 y en la categoría I de las previstas en el artículo 9 y anexo II del Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, sobre equipos a presión. d) Las de agua caliente de uso industrial con Pms x VT < 10.000 (Pms: presión máxima de servicio en la instalación expresada en bar y VT: volumen total en litros de la caldera) y las incluidas en el Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE). e) Las de fluido térmico con Pms x Vi < 200 si Tms >120 ºC o con Pms x Vi < 2.000 si Tms £ 120 ºC (Pms: presión máxima de servicio en la instalación expresada en Calderas.

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bar, Vi: volumen total en litros de la instalación y Tms: temperatura máxima de servicio)” Otras normas UNE a tener en cuenta son las siguientes: -UNE 9-001: 1987, Calderas. Términos y definiciones. -UNE 9-103: 1985, Calderas. Revisiones periódicas. -UNE 9-310: 1992, Instalaciones transmisoras de calor mediante líquido diferente al agua. -UNE 123001:2005+UNE 12301:2005/1M:2006, Cálculo y diseño de chimeneas metálicas. Guía de aplicación. -UNE EN 12952-7:2003, Parte 7: Requisitos para los equipos de la caldera. -UNE-EN 12952-8:2003, Parte 8: Requisitos para los sistemas de combustión de los combustibles líquidos y gaseosos de la caldera. -UNE-EN 12952-9:2003, Parte 9: Requisitos para los sistemas de combustión de los combustibles sólidos pulverizados para la caldera. -UNE-EN 12952-12:2004, Parte 12: Requisitos para la calidad del agua de alimentación y del agua de la caldera. -UNE-EN 1293-6:2003, Parte 6: Requisitos para el equipo de la caldera. -UNE-EN 12953-7:2003, Parte 7: Requisitos para los sistemas de combustión de combustibles líquidos y gaseosos para la caldera -UNE-EN 12953-10:2004, Parte 10: Requisitos para la calidad del agua de alimentación y del agua de la caldera 7. Uso de calderas El uso más frecuente de las calderas es para calentar agua. El agua caliente o el vapor se aprovechan en baños, albercas, hoteles, procesos industriales o para mover turbinas generadoras de energía. Una turbina generadora de energía es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el ciclo de Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, Calderas.

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normalmente, se transmite a un generador para producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estátor. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estátor también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

Figura 6

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