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NOTAS SOBRE

CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR

PROFESOR

D. OLAVO PALOMO LÓPEZ INGENIERO NAVAL Y OCEÁNICO

NOTAS SOBRE CALDERAS Introducción La energía acumulada en el vapor de agua se ha venido utilizando desde los primeros tiempos de la Revolución Industrial. Aunque existen antecedentes, como el inventor español Blasco de Garay, quien en 1543, en Barcelona y ante el emperador Carlos V lo utilizó para mover el barco “Trinidad” de 200 toneles1, fue en Inglaterra donde se originaron las primeras máquinas de vapor prácticas, y más concretamente con los inventos del escocés James Watt. La razón para que se haya utilizado el vapor de agua probablemente haya que buscarla en alguna de sus propiedades: • • • •

En primer lugar, es barata y abundante. Transporta grandes cantidades de energía con una masa relativamente pequeña. Su temperatura se puede regular bastante bien controlando la presión. Se puede aprovechar la expansión debida al aumento de volumen que experimenta el agua cuando se convierte en vapor: “cuando se une el calórico con partes de agua, a cuya mezcla se ha dado el nombre de vapor por los físicos, llega a ocupar un espacio… miles de veces mayor… y se concibió que el vapor retenido haría prodigiosos esfuerzos contra obstáculos considerables”2.

Actualmente, y debido al gran auge y desarrollo alcanzado por los motores diesel, así como sus menores gastos, sobretodo de combustible, la utilización del vapor en la propulsión naval es totalmente marginal: para las grandes potencias en las que no alcanzan las gamas de estos motores; para los buques de guerra con propulsión nuclear, como submarinos o portaviones; y como calefacción, mediante pequeñas calderas (calderetas) que aprovechan el calor residual de los gases de escape del sistema propulsor principal. Donde sí se utilizan ampliamente es en tierra, en las plantas térmicas de producción de energía eléctrica, tanto nucleares como de carbón. Otro inconveniente que tiene la propulsión a vapor es la gran inercia térmica que conlleva. Se necesitan algunas horas para que una planta parada (fría) se ponga a pleno rendimiento. Esto ha hecho que en algunas batallas navales, los barcos pillados por sorpresa no hayan podido reaccionar, como ocurrió en el ataque japonés a la flota de EE.UU. en Pearl Harbor en la segunda guerra mundial. Esquema básico de una instalación propulsora de vapor En esencia la caldera es el foco caliente (segundo principio de la termodinámica) donde el agua líquida se convierte en el llamado vapor saturado seco. En algunas plantas parte de este vapor se utiliza como calefacción o para cierta maquinaria auxiliar, pero la mayor parte pasa al recalentador, que se puede considerar como una prolongación de la caldera, donde conti1

Mazarredo, Luis de: Evolución de la Propulsión Naval Mecánica, Madrid, 1992 –Fondo Editorial de Ingeniería Naval. 2 Mármol. M. M. del: El Real Fernando, Idea de los barcos de vapor. Sevilla 1817 –Subsec. Mar. Mercante, 1967. En aquella época todavía se pensaba que el calor no era una forma de energía sino un fluido imponderable, el calórico.

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núa recibiendo más calor para aumentar su temperatura. A continuación el vapor recalentado pasa a las turbinas donde cede su energía térmica para proporcionar trabajo, quedando como vapor saturado, normalmente con algo de humedad. Como una segunda parte del circuito podemos considerar que el vapor final que sale de las turbinas pasa, en primer lugar, por el condensador (fuente fría del segundo principio de la termodinámica). Este elemento es un intercambiador de calor en el que un fluido (agua y vapor) se enfría hasta convertirse en agua, cediendo su calor a otro fluido de circulación (agua de mar). Para su correcto funcionamiento, el condensador debe tener un cierto grado de vacío, el cual se logra mediante una bomba de extracción, o incluso se puede ayudar con unos eyectores. La bomba de extracción es, pues la encargada de aspirar el agua del condensador y enviarla al tanque desaireador, normalmente a través de un recipiente intermedio que es el condensador de eyectores (para evacuar los gases no disueltos). Como en el condensador existe un cierto grado de vacío, la tendencia normal es que de alguna manera entre aire en el circuito del agua. Este aire es muy perjudicial, crea corrosión por el oxígeno que lleva y crea problemas en la aspiración de las bombas, especialmente si son centrifugas (cebado), por lo que la misión del tanque desaireador es que el agua se desprenda de todos los gases que pueda llevar disueltos, para ello se calienta mezclándola con vapor (ley de Henry). Del tanque desaireador, el agua de alimentación lo aspiran las bombas de alimentación. Lo normal es que, por un lado, sean dos en serie, la primera es una bomba aportadora o booster, que aspira el agua del tanque desaireador, el cual puede tener también vacío, y la descarga a la aspiración de la bomba principal de alimentación, ésta ya la descarga a la presión de servicio de la caldera. Por otro lado, como seguridad, estas dos bombas en serie deben ser redundantes, es decir, se deben tener otras dos que funcionen en paralelo. El agua de alimentación descargada por la bomba de alimentación pasa a un intercambiador de calor dentro de la caja de humos de la caldera, llamado economizador, donde sufre el primer calentamiento aprovechando el calor remanente de los gases de escape de la combustión que se pierde por la chimenea. Finalmente, el agua ya caliente pasa otra vez a la parte principal de la caldera donde se vuelve a reanudar el ciclo. Todo esto que hemos comentado son las ideas básicas, el esquema real de una planta de vapor es bastante más complejo, pues habría que considerar, entre otras cosas, todo el sistema de vapor auxiliar, las posibles sangrías, los aportes para compensar las pérdidas que se producen por los obturadores de ejes, empaquetaduras, frisas, sirena, eyectores, etc.

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Esquema con los elementos básicos de una planta de vapor

Calderas Como ya queda dicho, las calderas son los elementos de la instalación cuya misión es producir vapor de agua a partir del calor que se desprende al quemar en su interior algún combustible, como carbón, derivados del petróleo o algún gas. Tradicionalmente las calderas se han clasificado de una forma primaria en fumiltubulares o de tubos de llama y acuotubulares. Las calderas fumitubulares se caracterizan porque los gases calientes procedentes de la combustión, pasan por el interior de unos tubos cediendo su calor a una masa de agua que los rodea. Hoy son prácticamente piezas de museo y sólo se utilizan, por su simplicidad, en algunas calderetas de vapor auxiliar que aprovechan el calor remanente de los gases de escape del propulsor del buque. Históricamente, la más representativa de ellas es la conocida como caldera escocesa. Esta caldera básicamente consiste en un cilindro con tres zonas: La zona inferior es el hogar, donde se quema el combustible, y si éste es carbón hay que separarlo del fondo mediante la parrilla, que es un enrejado de hierro con unos claros del tamaño adecuado para que el aire pase entre el carbón ardiendo y deje caer al fondo el carbón quemado y las escorias. A esta zona baja del hogar se le suele denominar cenicero. Del hogar, los gases calientes de la combustión pasan a la zona posterior de la caldera conocida como caja de humos. De la caja de humos arrancan unos tubos horizontales por los que circulan los gases calientes, para finalmente salir por la chimenea tras completar el circuito. Esta tercera zona está situada encima del hogar, y en ella los tubos de humos están rodeados de la masa de agua a la cual calientan. 3

Esquema de una caldera escocesa donde se muestran los defectos debidos al funcionamiento y al mantenimiento

Así como en las calderas fumitubulares son los humos los que circulan por el interior de los tubos, en las calderas acuotubulares es el agua o el vapor a calentar el que circula por dentro de los tubos, y reciben el calor de la combustión por fuera de ellos. Desde hace ya bastantes años este es el tipo de calderas que se utiliza, ya que ofrece mejor rendimiento, tiene menos peso para la misma potencia de la planta, sobretodo de agua, y porque permite utilizar presiones más elevadas de vapor. En las calderas acuotubulares, de una forma global, también podemos distinguir tres zonas:

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a) El hogar o cámara de combustión. b) La zona de agua y vapor, que está formada por los distintos tubos y colectores por donde circula el agua y el vapor. c) Conductos de gases: doble envuelta para el aire de entrada y caja de humos. Funcionamiento El agua procedente de la bomba de alimentación que alimenta la caldera, pasa en primer lugar por el llamado economizador, que no es más que un intercambiador de calor donde el agua, que circula por unos tubos a modo de serpentín, aprovecha el calor residual que tienen los gases de escape antes de salir por la chimenea. De la salida del economizador, el agua se dirige a la caldera propiamente dicha y entra en la zona de agua de un gran depósito o colector alto, conocido como colector de vapor o calderín. La mayor parte del calor producido en la combustión se transmite al agua de la caldera a través de las paredes de los distintos tubos vaporizadores. Aprovechando las corrientes de convección, que se producen por la diferencia de densidades al calentarse, la mezcla de agua y vapor asciende por estos tubos hasta el calderín. El colector de vapor actúa como una cámara de expansión y es donde se separan el agua líquida del vapor, haciendo pasar esta mezcla por unos dispositivos dentro de él, (que dependerán de cada fabricante y modelo). El vapor saturado procedente del calderín se dirige al recalentador, de donde sale a mayor temperatura y sin apenas variación de presión, para ser utilizado en las turbinas. Por su parte el agua líquida retorna de bajada por los tubos de caída, más alejados del hogar (teóricamente más fríos para completar el circuito convectivo de circulación), hasta el colector bajo o colector de agua, y a los cabezales. A su vez, de estos colectores es de donde arrancan los tubos vaporizadores descritos anteriormente.

Tubos de caída

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Esquema de una caldera con sus distintos elementos

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Caldera Foster – Wheeler

Elementos de las calderas a) Básicos Aunque en esencia ya se han descrito vamos a ir considerándolos de forma más detallada. Colectores: Son grandes depósitos de forma cilíndrica y gran diámetro, colocados de forma horizontal, cuyos extremos están cerrados por unos casquetes cóncavos. En estos casquetes existen unas puertas de registro, o puertas de hombre, por las que se puede entrar para efectuar las labores de limpieza, mantenimiento y reparaciones. Pueden ser de dos tipos: el colector alto o de vapor o calderín, donde se separa el agua líquida del vapor, y el bajo o de agua. De estos últimos a veces puede haber dos en una misma caldera. Cuando la caldera tiene un colector alto y otro bajo se le suele denominar de tipo D, por la forma que presenta con los dos colectores y los tubos que bor7

dean el hogar. Por el contrario cuando tiene un colector superior y dos de agua se le suele llamar de tipo A.

Caldera marina tipo D (izquierda) y compacta tipo A (derecha)

Los colectores están construidos en dos mitades longitudinales de planchas de acero soldadas, obviamente la mitad en la que van encastrados los correspondientes tubos (mitad superior para el colector de agua o mitad inferior para el colector de vapor) tendrá que ser de mayor espesor para compensar la pérdida de resistencia que ocasionan los orificios para los tubos. Los distintos tubos que parten de ellos deben tener su salida (arraigada) de forma radial para minimizar las tensiones que produzcan las dilataciones térmicas. Lo normal es que esta unión sea mandrinada (una especie de abocardado que hace estanca la unión), más raramente soldada. Cabezales: Son también colectores de agua de donde parten una serie de tubos, pero que se diferencian de ellos por su menor diámetro. Igualmente tienen puertas de registro en sus extremos cóncavos, si bien, en este caso, por su menor tamaño se las denomina registros de mano. La unión de los tubos con sus correspondientes cabezales suele ser soldada. A su vez los distintos cabezales están comunicados con los colectores de agua. Tubos de paredes de agua: En algunas publicaciones también se les llama tubos de membrana, y son los tubos que terminan en los cabezales, o colectores de menor tamaño. Para favorecer la transmisión del calor, siempre a través de su superficie, conviene que estos tubos sean de poco diámetro y lo más juntos posible. En general son los tubos que rodean las paredes del hogar, y por tanto los que reciben la mayor cantidad de calor, especialmente de la radiación directa de las llamas, por lo que nunca les debe faltar flujo de agua líquida para que se refrigeren, pues en caso contrario se quemarían. En general, un sobrecalentamiento de los tubos (quemado) se manifiesta por la distorsión de su correcta posición o alineamiento y, en ocasiones, por

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un hinchamiento local, es decir, un debilitamiento por deformación plástica o incluso rotura. La parte de las paredes de agua que forman el techo del hogar, por tener una cierta posición horizontal (menor circulación) es la zona donde primero se presenta el sobrecalentamiento. En medio de los distintos haces tubulares se colocan sopladores de hollín, lo que fuerza a cambios bruscos de curvatura en los tubos próximos que los rodean. Es fácil que en estos cambios de curvatura se produzcan flujos turbulentos con una defectuosa transmisión del calor, lo que, a su vez, puede provocar el sobrecalentamiento y la rotura consiguiente de los tubos. Una rotura de esta índole puede ser tan grave que, aunque se apaguen los mecheros inmediatamente, la cantidad de vapor liberada acabe sobrecalentando de los tubos del techo. Tubos de caída o retorno: Son los tubos que cierran el circuito de circulación del agua líquida de la caldera, van del calderín al colector de agua. Para favorecer la corriente de convección van alejados del hogar de la caldera (en la zona más fría), son de mayor diámetro que los tubos hervidores para disminuir las resistencias del flujo, y en consecuencia son menos. Tubos de pantalla: Son unos tubos cuya misión consiste en apantallar a otro conjunto de tubos que forman el sobrecalentador para que no sufra la radiación directa del hogar, evitando así que se calienten en exceso. Normalmente hay tres filas de tubos de pantalla y en la arraigada de ellos se disponen unos bafles o pantallas, abajo y encima, con objeto de dirigir los gases de la combustión del hogar hacia el sobrecalentador. Hogar: Es el espacio de la caldera donde se quema el combustible. Está limitado por las paredes laterales, con sus distintos colectores y haces de tubos vaporizadores, las paredes del fondo y la solera, que es la parte baja del hogar. Aunque depende de cada fabricante y modelo, en las calderas navales, lo normal es que en la pared del frente, es decir, la que da a los operarios de la caldera, se dispongan de unas aberturas donde se colocan los quemadores, que son los elementos que inyectan el combustible pulverizado dentro del hogar, y, al mismo tiempo, también entra por ellas el aire de la combustión, logrando así una mezcla más íntima entre ambos. En otros modelos, especialmente en instalaciones de tierra, el quemador o quemadores se colocan en el techo del hogar. Existen también calderas con dos hogares, como los que tenían algunas unidades de la Marina Española. A uno de los hogares se le denominaba hogar de vapor saturado, porque su misión principal era la de producir este vapor, y al otro hogar del vapor recalentado. Si bien hay que tener presente que aunque los tubos que forman el recalentador, por tener la mayor temperatura de entrada, no pueden estar directamente expuestos a la acción de las llamas, pues se quemarían, sí que es verdad que con este hogar se consigue un mayor control del vapor de salida.

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Obra refractaria: Es el conjunto de paredes de un ladrillo especial que rodean el hogar, forman los frentes anterior y posterior, la solera o parte baja y puede que, al menos en parte, las paredes laterales. Hay casos en los que se levanta una paredilla de obra refractaria en las paredes laterales, desde la solera hasta la arraigada de los tubos vaporizadores, tapando los colectores y cabezales. También hay calderas que tienen una pared de agua formada por sola hilada de tubos, cubriendo una o dos caras del hogar, y por detrás llevan una pared lateral de ladrillos refractarios. El frente anterior o pared frontal, es la parte del hogar que da a la cámara de calderas, y es donde, normalmente, van alojados los mecheros o quemadores (en algunos casos los quemadores se colocan en el techo). Esta superficie recibe todo el calor radiante del hogar, lo que hace que se deteriore rápidamente. A esto se une las especiales formas de estos refractarios para alojar los mecheros, y a que el goteo que producen provoca condiciones anómalas de combustión cerca del frente. Existe un tipo de calderas más desarrollado, la caldera radiante, en el que la obra refractaria es prácticamente inexistente, y las paredes del hogar están rodeadas por las llamadas membranas de tubos. Envueltas: Las calderas, por su parte externa, suelen ir recubiertas por una doble envuelta. El espacio que queda entre la envuelta interior y la exterior forma un conducto por donde se hace circular el aire que se aporta para la combustión antes de entrar en el hogar. Esto proporciona un doble beneficio: aprovecha el calor que radia la caldera hacia el exterior para calentar el aire que va a entrar al hogar, con lo que se aprovecha más el combustible al aumentar la temperatura de la combustión, y, en segundo lugar, este efecto de refrigeración hace que disminuya el calor que se transmite a la cámara de calderas, con lo que se mejora el confort del personal. Asimismo, si la caldera es de tiro forzado, que es lo común, no es necesario presurizar la cámara de calderas. Caja de humos: La caja de humos está formada por todos los conductos por los que circulan los gases procedentes de la combustión hasta su salida al exterior por la chimenea. Dentro de ella se aloja el economizador para aprovechar una parte del calor residual con que salen los gases. Economizador: El economizador es un intercambiador de calor, situado en la caja de humos, que calienta el agua de alimentación antes de entrar en la caldera propiamente dicha, aprovechando el calor residual de los gases de escape. El economizador está formado por dos colectores y un conjunto de tubos. Normalmente al colector superior llega el agua procedente de la bomba de alimentación, y de él arrancan una serie de tubos en forma de serpentín; el agua circula por ellos y llega a otro colector de salida, ya caliente. Desde allí se la envía al colector de vapor de la caldera, por donde entra, pasando previamente por una válvula de retención. Para mejorar la transmisión del calor de los humos, se aumenta la superficie de contacto de los tubos por medio de unas aletas que sobresalen de su parte exterior.

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Tubo de un economizador mostrando sus aletas

Economizador de una caldera

Recalentador: El recalentador o sobrecalentador es el elemento encargado de transformar el vapor saturado seco procedente del calderín en vapor recalentado. Suele estar formado por dos colectores de pequeño diámetro unidos por unas filas de tubos en forma de U. Por un extremo de uno de los colectores entra el vapor y, para asegurar un flujo uniforme por todos los tubos, estos colectores llevan unas pantallas que los independizan por tramos, finalmente por la otra salida de alguno de ellos sale en forma de vapor recalentado para ser utilizado.

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Esquema de funcionamiento de un recalentador de vapor

Los sobrecalentadores, aun en condiciones normales, por operar a tan altas temperaturas, más que los tubos de la caldera, son los elementos que están más expuestos a sobrecalentarse, especialmente cuando hay depósitos internos o cuando, por una causa u otra, disminuye el flujo de vapor.

Recalentador de una caldera Babcok – Wilcox

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Desrecalentadores: En un buque hay elementos y equipos auxiliares que no admiten el vapor recalentado para su funcionamiento. En algunos casos el vapor saturado que necesitan estos equipos se toma directamente del calderín, sin pasar por el recalentador. Pero en otros, parte del vapor recalentado que sale de la caldera se le hace pasar por el llamado desrecalentador. La misión del desrecalentador es, pues, rebajar la temperatura del vapor recalentado para volver a convertirlo en vapor saturado. Consiste en una serie de tubos en forma de U, o de doble U, y normalmente va alojado en el colector de agua, aunque existen modelos en los que está en el calderín. En principio puede parecer absurdo calentar el vapor hasta algún grado de recalentamiento para después enfriarlo, pero hay que tener en cuenta que, como ya se ha dicho, los recalentadores son los elementos más expuestos a quemarse, por lo que necesitan que, siempre que esté funcionando la caldera, pase por ellos vapor para que estén refrigerados. Incluso en aquellos momentos en que el consumo de vapor es mínimo, como, por ejemplo, con el buque en puerto. También puede darse el caso de que el vapor que utilicen los elementos auxiliares esté muy alejado de las características de presión y temperatura que proporciona la caldera principal. En estos casos se suele utilizar el calor del vapor principal para generar un vapor secundario, es lo que se conoce como generador vapor – vapor. Este sistema también se utiliza cuando interesa que la posible contaminación de uno de los circuitos de vapor no afecte al otro, como por ejemplo en las plantas nucleares, para que la radiactividad del agua procedente del reactor no afecte a las turbinas ni a las personas, o como en la calefacción de los tanques de los petroleros; si el petróleo entra en contacto con el vapor secundario de calefacción no debe contaminar el vapor principal. Ejemplos prácticos de plantas de vapor

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TIRO Combustión La combustión es una reacción química que se origina cuando ciertas sustancias (combustibles) reaccionan con el oxígeno (comburente) con gran desprendimiento de calor. Lo normal es que el oxígeno necesario lo aporte el aire. La característica principal de cualquier combustible es su poder calorífico, que se puede definir como la cantidad de calor que desprende un kilogramo de combustible cuando arde completamente (kilocalorías / kilogramo). Por el aspecto económico, el combustible habitual en la propulsión naval con vapor es el fuel– oil o petróleo de calderas, que es un derivado del petróleo, o crudo, y que se obtiene en las refinerías. Sus moléculas suelen ser muy complejas, pero sus componentes principales son: el carbono (C), el hidrógeno (H2), el oxígeno (O2) y el azufre (S). Además puede ir acompañado de otras sustancias. El petróleo de calderas es un líquido de un color negro o algo pardo, muy consistente y bastante viscoso, por lo que antes de ser bombeado para llevarlo a los quemadores hay que calentarlo y filtrarlo. Uno de los componentes más perjudiciales del fuel es el azufre ya que, aunque es combustible y desprende calor, el compuesto resultante, dióxido de azufre (SO2), cuando capta el agua, aunque sea de la humedad ambiente, se transforma en alguno de los distintos ácidos del azufre, como el sulfúrico, todos ellos altamente corrosivos. Temperatura del hogar Como es sabido junto con el comburente (oxígeno en el aire) y el combustible, se necesita un tercer elemento para conseguir cualquier combustión, que es la temperatura. Siempre se requiere una temperatura mínima para que exista cualquier combustión, por pequeña que sea. A su vez, la combustión será tanto mejor cuanto mayor sea la temperatura del hogar. Centrándonos en las calderas de vapor, la temperatura que alcanza el hogar dependerá de la cantidad y tipo de combustible (poder calorífico), de las características de la obra refractaria (pérdidas) y de la cantidad y temperatura del aire (comburente). Una parte del calor desprendido en el proceso de la combustión se transmite por radiación a las superficies directamente expuestas a la acción de la llama (tubos vaporizadores y obra refractaria), esta transmisión es directamente proporcional a la diferencia entre las temperaturas absolutas a la cuarta potencia del foco caliente y el frío. Otra parte calienta los gases del hogar, a partir de la temperatura a la que lleguen. Estos gases, en su flujo de salida, ceden parte de su calor por convección a las superficies por las que va pasando, como los recalentadores o los economizadores. La transmisión de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperaturas entre la superficie caliente y la fría. El calor remanente sale con los gases de escape por la chimenea, como pérdidas. A su vez, el calor que reciben, de una forma o de otra, las paredes de los distintos tubos se transmite al agua de su interior por conducción, que también depende de la diferencia o gra-

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diente de temperaturas entre el lado caliente y el más frío de la pared del tubo, así como de su coeficiente de conductibilidad, bueno, en general, para los metales, pero que se verá entorpecido si se han producido incrustaciones o depósitos en las paredes de los tubos, lo que obliga a quemar más combustible para mantener el mismo régimen de vapor, y con el riesgo además de que los tubos se quemen (deformaciones plásticas, distorsiones de su posición, abombamientos, etc.). Generalidades sobre el tiro Para que la combustión se realice de manera adecuada se necesita un aporte continuo de aire. Idealmente la cantidad de aire debería ser la justa para conseguir una combustión perfecta y completa de todo el combustible. Una cantidad escasa provoca una mala combustión, con formación de humos, hollín y un derroche de combustible. Una cantidad excesiva también supone pérdidas al calentar un exceso de aire con un calor que no se aprovecha, y que sale por la chimenea. Por todo ello se necesita asegurar una circulación uniforme que aporte el aire necesario y, además, evacue los gases producidos. Para que esta corriente o flujo se produzca es necesario disponer de una diferencia de presiones que impulse los gases, o mejor dicho, de una carga total, suma de las presiones estática y dinámica, suficiente para vencer las pérdidas de carga en el circuito que han de recorrer los gases y mantener la velocidad precisa, es decir, la carga motriz (diferencia de presiones) debe proporcionar la energía cinética final de los gases a la salida de la chimenea y vencer las resistencias o pérdidas de carga en todo el circuito que recorren. Se da el nombre de tiro al conjunto de cusas naturales o artificiales que provocan la circulación de los gases a través de la caldera. Tiro natural Toda caldera está dotada de una chimenea, que es un conducto natural destinado a la evacuación de humos, y suele ser vertical. Su misión es doble: crear una aspiración natural (tiro natural) y permitir que los humos se dispersen a la atmósfera sin incomodar la proximidad inmediata (y respetando la legislación vigente sobre contaminantes). Esta aspiración se produce por la diferencia de densidades entre los gases calientes en el interior y los más fríos en el exterior, lo cual se traduce en diferencias de presiones que son las que crean el flujo del tiro. Se demuestra que la energía motriz del tiro depende de la diferencia entre la temperatura de los humos y la temperatura ambiente, y de la altura de la chimenea. La temperatura de los humos no conviene que aumente por encima de ciertos límites, ya que esto aumenta el calor que se pierde con los humos, y por tanto afecta al rendimiento de la instalación. La temperatura ambiente es un parámetro impuesto sobre el que no podemos actuar. En consecuencia, para obtener el tiro necesario correspondiente a un régimen de funcionamiento determinado sólo podemos actuar bien sobre la altura de la chimenea o bien disminuyendo las resistencias del circuito.

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Disminuir las resistencias del circuito está en contradicción con una buena cesión o transmisión del calor de los gases. Aumentar la altura de la chimenea (en los barcos suele ser de chapa de acero) supone disminuir la temperatura media de salida de los humos, los cuales se van enfriando a medida que van ascendiendo, y, además, aumentan las resistencias de fricción contra las paredes. En la actualidad la altura de la chimenea se limita mucho antes de llegar a este límite técnico por otras razones, como pueden ser la resistencia que oponen a la marcha o al problema de la superficie expuesta al viento sobre la estabilidad. Las altas chimeneas que antes se veían en los buques antiguos se fueron abandonando a medida que aumentaba su funcionalidad. Según todo lo dicho se llega a un punto en el que ya no es conveniente aumentar el tiro por estos procedimientos, y hay que recurrir a crear la diferencia de presiones necesaria de forma artificial, por medio de ventiladores, eyectores u otro procedimiento análogo. Tiro forzado En el tiro natural la velocidad de salida de los humos puede alcanzar una velocidad de 5 m/s, para aumentar esta velocidad a 25 m/s o más se requiere el tiro forzado. El tiro forzado propiamente dicho es el que se logra aumentando la presión del aire antes de entrar en la caldera. Cuando se cargaba el carbón a mano, o incluso en parrillas automáticas, la presión del hogar era igual a la presión atmosférica ambiente de la cámara de calderas, es decir, si se quería que el tiro fuese forzado la cámara de calderas debía estar presurizada. La opción de presurizar solamente la cámara de combustión resultó muy peligrosa por los retrocesos de llama que se pueden producir hacia el lugar donde pueden estar los fogoneros. La opción de crear un cierto vacío en el hogar de la caldera para forzar el tiro tampoco es adecuada, ya que crearía entradas de aire en el hogar, lo que enfriaría los gases y disminuiría el rendimiento de la caldera. Otra opción es el llamado tiro combinado: El paso de los humos a través de la caldera, y, en su caso, del economizador o del calentador del aire de entrada, se deja a cargo del tiro natural, pero en el trayecto de los humos hacia la salida de la chimenea, se crea una aspiración que fuerce el tiro. Esto se puede conseguir de dos formas: a) Mediante un ventilador que aspire los humos hacia la salida de la chimenea (tiro aspirado total). b) Mediante un eyector. El fluido motriz del eyector puede ser vapor, como en las antiguas locomotoras, en las que se empleaba el vapor de exhaustación de los cilindros, o utilizando parte de los humos, que a su vez son impulsados por un ventilador para recibir la carga total necesaria (tiro inducido). Esta última solución, en principio, no es la más ventajosa porque habría que multiplicar el rendimiento del ventilador (un 0,6) por el del eyector (un 0,5), lo que da un rendimiento mucho menor. El tiro inducido empleo primeramente como fluido motor el aire exterior, que era aspirado por un ventilador (circuito abierto), pero esto tenía el inconveniente de que al mezclarse el aire más frío con los humos disminuía el tiro de la chimenea, por lo que hubo que recurrir a los humos como fluido impulsor antes de que entrasen en la chimenea (tiro inducido en circuito cerrado).

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Otra dificultad más en el tiro inducido en circuito cerrado es conseguir un ventilador que sea resistente a la acción de los humos y a temperaturas relativamente elevadas, dificultad que también se presenta en el tiro aspirado total. Con el tiro inducido, la chimenea de chapa se termina en un cono ensanchado hacia lo alto que actúa a modo de difusor. Como vemos, dentro de esta categoría, el tiro combinado con aspiración total es el que ofrece más ventajas, pero también es el más caro y complicado, requiere mayor espacio y tiene mayores gastos, y no sólo de energía sino también de mantenimiento. Como conclusión general vemos que la solución más conveniente es la del tiro forzado simple, lo cual se puede hacer por dos sistemas: a) Un ventilador que envía aire del exterior a la atmósfera de la cámara de calderas, la cual es estanca al aire, quedando ésta con una cierta sobrepresión. El transito entre el exterior y el interior de la cámara de calderas es a través de una esclusa con dos puertas, de manera que, por ejemplo, si una persona quiere entrar se encierra en la esclusa, a continuación se presuriza ésta y cuando la presión se iguala con la de la cámara ya puede abrir la puerta de la cámara y pasar. Para salir se realiza el proceso inverso, despresurizando la esclusa de paso. Esta solución, lógica cuando se utilizaba carbón como combustible y se cargaba a mano, presentaba el inconveniente de que el personal de calderas quedaba aislado, sobretodo ante algún accidente grave como la ruptura de una tubería de vapor, un incendio, etc., aparte del ruido ensordecedor de los ventiladores. b) Caldera de vaso cerrado. En este caso la caldera está rodeada de una doble envuelta o cajón estanco al que descarga un ventilador el aire necesario, y de allí pasa al hogar para la combustión. La solución del vaso cerrado es la ideal, sobretodo cuando el combustible es líquido, como ocurre en la propulsión naval, pues no hay que abrir los registros para palear el carbón; presenta, además, la ventaja de que el aire de la combustión aprovecha el calor que emana del recipiente interior de la caldera. Otra ventaja de esta solución es que podemos aumentar la presión de la cámara de combustión, lo que permite reducir el tamaño de la caldera, al mandar más cantidad de aire podemos quemar más combustible en el mismo volumen de hogar y mejorar la transmisión del calor al aumentar la velocidad de los humos. Además se evita el escape de humos al ambiente de la cámara de calderas al tener esta envuelta presurizada. Los ventiladores que realizan esta función pueden ser eléctricos o movidos por turbinas de vapor, y deben ser capaces de hacer frente a las pérdidas de carga o resistencias que ofrecen los estrechos espacios entre la pared de la caldera y la exterior, así como a los cambios bruscos de dirección que sufre el aire caliente, además de permitir un amplio margen de caudal para hacer frente a las posibles sobrecargas que pueda admitir la caldera, y con una regulación amplia y fina.

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CALDERAS DE CIRCULACIÓN FORZADA El agua impulsada por la bomba de alimentación pasa sucesivamente por las siguientes zonas: • • • •

Economizador. Radiación del hogar. Convección. Recalentador.

La mezcla de agua y vapor puede circular como un fluido casi homogéneo si se evita la formación de bolsas de vapor en la parte de haces tubulares sometidos a la radiación. Es preciso que el flujo sea ascendente en los tubos pequeños del hogar fuertemente cargados caloríficamente y descendente sólo en los grandes tubos de caída por donde circula el gasto total y relativamente poco cargados caloríficamente. Para conseguir que el flujo sea ascendente en todos lo tubos pequeños dispuesto en paralelo es preciso que las pérdidas de carga sean rigurosamente las mismas en todos ellos. Por ello se pueden unir en algunos puntos por puentes que son verdaderas conexiones equipotenciales. En las calderas de circuito cerrado con colector, una variación brusca del régimen la absorbe el calderín separador. Calderas de circulación forzada La circulación del agua dentro de la caldera se puede dejar a los movimientos debidos a la convección natural que produce la diferencia de densidades entre el agua más caliente y la más fría (circulación natural), o forzar este movimiento por medio de una bomba o de un dispositivo similar (circulación forzada). En la circulación forzada las superficies de calefacción se pueden disponer de la manera más conveniente, sin las restricciones de forma a las que quedan obligadas las calderas de circulación natural, lo que tiene como ventajas: a) Un proyecto más lógico de la caldera al poder diseñar la cámara de combustión de la forma más adecuada para el combustible y los quemadores empleados, y disponer los tubos para conseguir la mejor transmisión del calor por convección (normalmente serán perpendiculares a la corriente de los humos) y mayor aprovechamiento del calor de radiación, pudiéndose rodear de tubos toda la cámara de combustión. El hogar de las calderas de circulación forzada está casi siempre totalmente refrigerado por fuera. b) Al tener mucha menor importancia la resistencia de los circuitos al paso del agua se pueden utilizar tubos más pequeños que en las calderas de circulación natural, con lo que mejora la transmisión del calor, al presentar los tubos mayor superficie total expuesta a la radiación. c) Al estar la circulación asegurada por una bomba, se puede distribuir el agua como más convenga entre los distintos tubos según el calor que reciban. Las calderas de circulación forzada las podríamos clasificar en dos grupos: Las que disponen de un colector o calderín donde se separa el agua del vapor (ejemplo clásicos son la caldera la Mont o la Velox) y las unitubulares (como las antiguas Benson o Sulzer), que se basaban en que si el vapor está muy cerca de sus condiciones críticas apenas se produce expansión de su volumen específico, por lo que el servicio se logra con un único tubo a modo de serpentín. Este último tipo de calderas tuvieron una vida bastante efímera por las dificultades técnicas que presentaba trabajar a presiones tan altas. 19

Caldera la Mont En el fondo no es más que una caldera de circulación natural a la que se le ha sustituido el efecto sifón por una bomba de circulación, la cual aspira el agua del calderín para introducirla en los haces de tubos donde se evapora en parte, retornando el agua mezclada con el vapor formado al calderín, donde se separan. Si la caldera está dotada de recalentador, el vapor entra y circula por él gracias a la aspiración natural que producen las máquinas o aparatos consumidores. El economizador de estas calderas se caracteriza porque, durante los periodos en los que no se alimenta, se hace circular por él el agua de la caldera, aumentándose así, temporalmente, la superficie de los tubos hervidores. Una característica de la caldera la Mont es la manera de distribuir el agua entre los distintos tubos hervidores por medio una especie de “toberas” montadas a su entrada. Estas toberas, en esencia, no son más que un diafragma con un taladro en medio, el cual tiene como misión estrangular la corriente de circulación, produciendo una resistencia o caída de presión, que al ser mayor que la debida a la resistencia propia de los tubos, permite regular o igualar la resistencia que ofrece cada uno de ellos al paso del agua. Además estas toberas ofrecen otra ventaja, evitan que se produzca una circulación en sentido contrario al deseado, con lo que se evita que el tubo se vacíe y, en consecuencia, que se queme, por lo menos en su parte alta. También se puede poner el agua de circulación en el recalentador, ya que si no se pone un medio que lo refrigere durante el encendido, no se podría hacer éste tan rápidamente como permite la circulación forzada de los vaporizadores por ponerse los tubos recalentadores a la misma temperatura que los gases de escape, al faltar la circulación del vapor. Obviamente alcanzado el régimen normal de funcionamiento este agua habrá que purgarla. El calderín pertenece al modelo típico la Mont, con la descarga de los tubos hervidores en la zona de agua del calderín, que está separada de la zona de vapor por una pantalla de hierro curvada, que hace que el agua descargada por los tubos caiga en forma de cascada, mientras se separa el vapor formado, mejorando de esta forma la separación del agua del vapor. Con un propósito similar hay otra chapa en forma de persiana en la toma de vapor. Otro detalle interesante del calderín es que, en la aspiración de la bomba de circulación, hay montada una especie de tobera cuyo objeto es evitar una depresión de la tubería de aspiración, que podría provocar bolsas de vapor. Esta aspiración, además, está protegida por unas pantallas contra la entrada de vapor del calderín. La bomba de circulación se debe montar en el punto más bajo posible, y de tal modo que se eviten las pérdidas de carga o bolsas (es decir, las curvas) en la tubería de aspiración. Conviene observar que los tubos de la bomba, aspiración y descarga, están sometidos a dilataciones bastante considerables. Esto produce pérdidas en las juntas, desalineación de la bomba u otros defectos, que producen averías o incluso la rotura de la bomba. La distribución del agua de circulación entre los distintos tubos vaporizadores se hace en unos colectores o distribuidores de acero fundido o forjado, en los que se mandrinan los tubos y se montan las toberas correspondientes. Tanto para evitar las tensiones térmicas en la parte man-

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drinada, como para hacerlas más accesibles al reconocimiento y montaje de las toberas, estos distribuidores se montan en la parte exterior de las calderas. Los tubos vaporizadores también van mandrinados al calderín. Las uniones de los tubos entre sí, y las de los tubos economizadores y recalentadores a sus colectores pueden hacerse por soldadura, por estar estas uniones más expuestas a pérdidas. Caldereta la Mont de gases de escape La posibilidad de adaptar la superficie de evaporación a una forma cualquiera, hace que el principio de la caldera la Mont sea muy adecuado para la producción de vapor aprovechando el calor de los gases de escape de los motores de combustión interna, ya que se puede evitar hacer una desviación de los conductos de exhaustación de los motores para que entren en la caldereta, simplemente basta con colocar en dichos conductos unos serpentines por los que una bomba haga circular el agua que aspira de la caldereta y a la que, a su vez, vuelven de retorno a descargar con el agua y vapor que se forme. Este sistema tiene otra ventaja sobre los demás tipos de caldereta de gases de escape: poder producir el vapor que se precise independientemente de la marcha de los motores, basta con encender o regular el mechero que lleva la caldereta. Los serpentines vaporizadores se disponen en planos normales a la dirección de los gases de escape. Para disminuir la temperatura de los gases por encima de lo que permite la temperatura del vapor, se puede poner, además, un economizador a continuación de los tubos vaporizadores.

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SOPLADORES DE HOLLÍN Formación del hollín El hollín se forma a partir de las partículas que van en suspensión en los humos y que se depositan en los tubos y paredes por no haber realizado una combustión completa. Si además están en forma pastosa, estas partículas se adhieren más fácilmente a las distintas superficies formado el hollín, principalmente en los primeros tubos, y pueden llegar a formar una barrera que interrumpa el paso de los humos. Por este motivo, los primeros tubos están más distanciados. Los calentadores de aire contribuyen a evitar que se forme el hollín, pues al calentar el aire que entra al hogar facilita la combustión completa de las partículas de combustible. Daños que ocasiona A parte del posible peligro de incendio, el hollín depositado en la parte exterior de los tubos actúa como un aislante perjudicando la transmisión del calor, por lo que no se debe permitir que se acumulen. La disminución en la transmisión del calor provoca: 1. La caldera produce menos vapor y disminuye su rendimiento: a) Los gases salen más calientes por la chimenea. b) Existe peligro de forzar la caldera al introducir más combustible para mantener el mismo régimen de producción de vapor, aumentando así la temperatura de los humos, y puede ser la causa de que los tubos se quemen o que se estropee el refractario. 2. Cuando la caldera está caliente, el hollín depositado está seco, y al existir un gradiente de temperaturas en los tubos a través de la capa depositada, la parte exterior está a temperatura más alta y puede incendiarse si los gases están muy calientes, y más si salen pavesas o chiribitas del hogar. 3. Puede originarse la llamada combustión de Lande. Esta combustión se produce al reaccionar el hierro en presencia de vapor de agua cuando está a una temperatura por encima de 700 ºC, formándose óxido ferroso – férrico y desprendiendo hidrógeno libre. 3Fe + 4H2O

→

Fe3O4 + 4H2

Conviene tener presente que para que se produzca este fenómeno no se necesita que el vapor esté disociado en hidrógeno y oxígeno, ya que, por ejemplo, a 2 656 ºC solamente se produce una disociación del 11%, y a las mayores temperaturas que se pueden alcanzar en las calderas esta disociación puede alcanzar el 0,0007%. La reacción se presenta fatalmente cuando se encuentra el hierro con el vapor de agua a 700 ºC o más. La reacción es exotérmica, por lo que continúa por si sola autoalimentándose, a no ser que la temperatura baje de 700 ºC, o bien desaparezca alguno de los dos reactivos. Esta temperatura se puede alcanzar por falta de circulación en el recalentador (máquinas paradas) o en el economizador, así como cuando en el calderín baja el nivel del agua líquida hasta los extremos superiores de los tubos vaporizadores. Una vez que se ha roto un tubo, el hidró-

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geno desprendido se quema con el oxígeno del aire, lo que produce un alto calentamiento de los tragantes de las cajas de humos y de la parte baja de la chimenea. El primer síntoma que se presenta en la instalación debido a este fenómeno es una pérdida fulminante del vacío de los condensadores como consecuencia de la presencia de un volumen apreciable de hidrógeno que no se condensa por ser un gas, y de muy difícil extracción por los eyectores. El empleo de apaga – fuegos a base de vapor es contraproducente, pues aviva la reacción. Los apaga – fuegos de espuma no producen efecto alguno porque tienen muy poca capacidad de enfriamiento. Los sistemas de gas inerte tampoco funcionan, pues no aíslan los reactivos. El único medio eficaz de extinción es hacer llegar agua fría en abundancia al lugar del incendio para que produzca un descenso de la temperatura por debajo de los 700 ºC. Generalidades sobre la eliminación del hollín Existen distintas soluciones para eliminar el hollín que se va acumulando en las superficies de los distintos elementos de la caldera, como pueden ser: a) Rascado de los tubos y extracción posterior de los depósitos. Este procedimiento presenta la incomodidad de su ejecución, especialmente a bordo (hay que esperar a que se enfríe la caldera, accesibilidad, etc.), por lo que en la práctica no se suele usar. b) Adición de ciertas sustancias al combustible (aditivos). Este procedimiento más que eliminar el hollín lo que hace es evitar que se forme. Puede ser caro y aumentar el desgaste de los quemadores. c) Por medio de sopladores de hollín, que es el sistema utilizado en la práctica. Aunque existen sopladores de hollín que trabajan con aire comprimido, la mayoría de los tipos marinos utilizan vapor recalentado procedente de la caldera. Los tres tipos principales son: 1. Soplador retráctil. 2. Soplador no retráctil. 3. Soplador de varias toberas. Sopladores de hollín El soplado debe realizarse cuando la caldera está caliente, de modo que el hollín esté seco, ya que debido al gran poder higroscópico que tiene, si está húmedo no se desprenderá. Por este motivo el vapor empleado debe ser recalentado siempre que se pueda. Precisamente una de las principales desventajas de los sopladores de hollín de vapor son las pérdidas de agua del circuito. Por lo que respecta a la dirección del soplado, ésta debe ser la de los humos para que el hollín sea arrastrado por el tiro y no se deposite en los remansos del recorrido, lo que supondría un peligro mayor que el que se pretende evitar al encontrarse en concentraciones mayores. Las grandes cantidades de hollín descargadas a la atmósfera cuando los sopladores se usan de forma intermitente puede obligar a que el barco cambie de rumbo para hacer que el viento le llegue de costado.

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Esencialmente un soplador consiste en un tubo con orificios a través de los cuales salen chorros de vapor. Una tobera convergente – divergente, bien calculada, produce una corriente laminar, pero si cortamos esta tobera por la garganta, cuando salga el vapor experimentará una expansión muy brusca formándose torbellinos, lo que permite cubrir un área mayor y atacar a los tubos por más de un frente. La expansión del vapor desde una presión alta a una presión prácticamente igual a la atmosférica, puede producir una cierta humedad, lo que puede ser otro inconveniente, no sólo porque el hollín es higroscópico sino porque las gotas de agua proyectadas a gran velocidad contra los tubos acaban erosionándolos. Aunque estas gotas se acaban convirtiendo en vapor por el calor de los gases de salida, puede ocurrir que no haya distancia suficiente entre el soplador y los tubos para que esto ocurra. Por ello el soplador debe llevar un orificio de restricción para que el vapor se expanda en la tobera de forma adiabática cuando reduzca su presión en el estrangulamiento, y esté todavía recalentado cuando salga del soplador. Si cuando están funcionando los sopladores se ponen los ventiladores del tiro forzado a su máxima velocidad ayudarán a que el hollín desprendido salga de la caldera por la chimenea. Si los sopladores de hollín giran 360º, en algún momento soplarán en sentido contrario al del tiro. Para evitar esto se puede controlar la admisión del vapor al soplador de forma que el barrido solamente se produzca durante la fase conveniente de la revolución. Cada soplador consta de un tubo con una serie de orificios llamados toberas y que se extiende de parte a parte a través de los haces de tubos la caldera. Las toberas se disponen de forma que el vapor que salga de cada una de ellas no incida directamente sobre el primer tubo adyacente, pues la gran velocidad con la que sale el vapor podría erosionarlo. La admisión y corte del vapor se realiza por medio de una válvula operada por un camón y un balancín. El camón y el tubo se manejan, bien por medio de una rueda con una cadena sin fin, o por medio de un eje que hace girar un piñón engrando a un piñón principal. Cuando el soplador de hollín no se utiliza, se hace fluir una pequeña cantidad de aire frío a través del soplador que sale dentro de la caldera por las toberas, así se evita que se queme o se funda. Una válvula de retención cierra el flujo de aire cuando el soplador entra en movimiento, así se evita que el vapor penetre en la caja de aire. Un tipo de soplador de hollín son los de tobera simple retráctil. Este tipo de soplador dirige chorros de vapor en forma de abanico en dirección al haz de tubos. Cuando no trabaja, el tubo del soplador descansa sobre un engranaje y cuando se le da la vuelta a una rueda se le obliga a extenderse hacia el interior de la caldera, y al llegar al final de su recorrido los orificios quedan alineados con la admisión de vapor, fluyendo éste a través de la tobera sobre la pantalla de agua y los haces de tubos de recalentador. El ángulo de descarga a través de la tobera es de unos 58º. Los metales y aleaciones de los que están fabricados los sopladores varían según la temperatura de los gases a los que están expuestos. En cualquier caso no se pueden hacer desaparecer por soplado los depósitos de hollín en los recalentadores ni los depósitos endurecidos en los economizadores, por lo que se debe recurrir a un lavado con agua o a un rascado.

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El consumo de vapor de los sopladores varía con el tipo y tamaño. Su consumo puede tener importancia, especialmente si la caldera es pequeña: Respecto a la colocación de los sopladores hay que tener en cuenta: a) Los sopladores situados en la pared del fondo son los que están más expuestos a la acción de la llama, por lo que se deberían usar los de tipo retráctil cuando las temperaturas o la dificultad de colocación así lo aconsejen. b) Los sopladores que se sitúen en la parte frontal deberán disponerse de tal forma que no sea necesario apagar los quemadores cuando haya que realizar la operación de soplado. De no poder ser así habrá que procurar que las veces que haya que apagar sea lo menor posible. Cuando exista riesgo de que pueda penetrar petróleo en las toberas de los sopladores se deben emplear los de tipo retráctil. c) Se debe procurar que el aire de refrigeración de los sopladores sea el adecuado, sin que esto afecte al mismo tiempo a la instalación general al disminuir la temperatura del hogar. d) Si se tuviese que utilizar ladrillo refractario en la parte posterior de los sopladores, éste debería ser capaz de soportarse a sí mismo. e) Como ya se ha dicho, los sopladores deben situarse para que soplen a favor del tiro, y no en contra, ya que el flujo combinado del vapor y los gases de salida favorecen la limpieza y la evacuación. f) Se debe poner una especial atención en la colocación de los sopladores entre las superficies de calefacción para que los chorros queden alineados con los claros de las filas adyacentes al tubo del soplador. Sopladores por impulsos de aire Estos sopladores funcionan descargando pequeños impulsos de aire de muy corta duración. Cada golpe es seguido de una pequeña rotación de la cabeza del soplador para que la superficie total a barrer sea recorrida por los sucesivos golpes de aire. El tiempo total empleado durante el funcionamiento de este tipo de sopladores es de unas dos horas, por lo que la concentración del hollín que sale por la chimenea no es tan molesta.

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DESARROLLO DE LAS CALDERAS MARINAS Antiguamente el hogar de las calderas quedaba encerrado por paredes de tubos de agua, incluso algunas veces incluían los frentes. En esa época no se aplicaba la pared de tubos de membrana, pero ya se soldaban los tubos a los cabezales, sobrecalentador y economizador. La pared de los tubos de membrana se incorporó después. En las calderas marinas a veces se presentan problemas de vibraciones. Con el aumento de los tamaños, la longitud de los tubos ha aumentado también, lo que conlleva una frecuencia natural más baja en la vibración transversal de los tubos. Al disminuir esta frecuencia cabe la posibilidad de que coincida con la causada por la hélice o el sistema de ejes, lo que acabaría produciendo una rotura por fatiga en la arraigada de los tubos con su colector. En algunos proyectos se han dispuesto piezas metálicas entre tubos, otra solución consiste en dar a los tubos un ligero recodo hacia la mitad de su longitud. Con este procedimiento su frecuencia natural puede ser elevada al doble. Con el aumento de las presiones y temperaturas del vapor, el diseño de las juntas entre tubos y cabezales precisa consideraciones especiales para prevenir cualquier fuga. Los tubos del sobrecalentador, por ejemplo, van mandrinados en los cabezales del sobrecalentador para calderas de 41 bar y 450 ºC. Para 61 bar y 515 ºC las uniones de los tubos con sus cabezales van soldadas. Flujo de aire y quemadores El estudio del flujo en el hogar es importante para evitar que la llama entre en contacto con sus paredes, obtener una combustión estable con el mínimo exceso de aire y mejorar la absorción del calor por las paredes de agua del hogar. Uno de los parámetros del diseño de una caldera es la tasa de calor cedido en el hogar. Esta tasa se define como la cantidad de calor liberado por unidad de volumen del hogar. La introducción de las paredes de tubos de membrana en todos los costado del hogar y la mejora en la tecnología de los quemadores permiten mejorar esta tasa. Separación del vapor Es de gran importancia que las calderas produzcan vapor de gran calidad. En la mayoría de los casos una especie de llovizna e impurezas son arrastradas desde el colector de vapor a los tubos del sobrecalentador, lo que acaba produciendo un sobrecalentamiento de los tubos debido a la formación de costras. El nivel de agua en el calderín tiene una gran importancia en la pureza del vapor. La separación del agua en este colector se consigue generalmente usando planchas perforadas a la altura del nivel del agua y separadores de niebla en el espacio de la toma de vapor. La combustión y la transmisión del calor son los dos principios básicos para el diseño de una caldera. Hay que racionalizar el diseño de los hogares y las superficies de convección para conseguir menor peso y espacio, sin sacrificar la maniobrabilidad y la accesibilidad para el mantenimiento de la caldera.

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GENERADORES DE VAPOR EN BUQUES CON PROPULSIÓN DIESEL Sistemas de recuperación del calor Las plantas generadoras de vapor a bordo de buques con propulsión diesel se caracterizan por tratar de cubrir sus necesidades energéticas a partir del calor sensible de los gases de escape del motor principal, y, cuando esto no es posible, complementarlo quemando combustible. En la figura se representan las cinco soluciones más comunes. En la mayoría de los buques de carga, las necesidades de vapor se cubren de sobra mediante la recuperación del calor sensible de los gases de escape del motor. Las soluciones usuales corresponden a las opciones a, b y c de la figura, que tiene la circulación natural. Si, efectivamente las necesidades de vapor son mínimas, una caldera mixta, solución a, es suficiente. En este caso el haz convectivo se calienta durante los periodos de navegación con los gases de escape del motor y en puerto mediante un quemador. Probablemente sea la solución más económica, pero tiene el inconveniente no permite el calentamiento simultáneo con ambas fuentes de calor. La solución b corresponde a una caldera compuesta, en ella las superficies de calefacción para los gases de escape del motor y la de los gases de la combustión de la propia caldera son distintos, pudiéndose combinar simultáneamente todas las posibilidades de calefacción que ofrece. Para necesidades de calefacción comprendidas entre 1 t/h y 4 t/h es la solución óptima desde el punto de vista económico porque cubre prácticamente todas las necesidades de vapor durante la navegación aprovechando únicamente los gases de escape del motor; en puerto o en las puntas de demanda utiliza los quemadores. La solución c representa una mayor seguridad de suministro, por la redundancia que supone la doble caldera. Tiene un mayor coste inicial y de mantenimiento. Al incrementarse las necesidades de vapor durante la navegación se hace necesario recurrir a la circulación forzada, soluciones d y e. La opción e se aplicaría básicamente a los petroleros, en ella se dispone de un economizador y un sobrecalentador para conseguir una recuperación máxima del calor sensible. El economizador se aparta del economizador convencional ya que hace circular agua subenfriada en vez de agua de alimentación. La razón es que cuando desaparece la demanda de vapor, en una caldera clásica, los fuegos se apagan y el regulador de agua corta la alimentación de agua al economizador, mientras que en caso del esquema e, al cesar la demanda de vapor, el economizador se quedaría sin circulación de agua interior mientras los gases de escape continúan calentándolo, esto haría que se formase una bolsa de vapor en su interior con el agua estancada. Cuando volviese a surgir la demanda se abriría de nuevo la válvula del regulador del agua de alimentación, disminuyendo bruscamente la presión en el economizador, con formación adicional de vapor, dando lugar a un régimen transitorio con inestabilidades y choques térmicos. Cuando se desea una recuperación máxima del calor sensible aparece una limitación en la temperatura de funcionamiento para no alcanzar el punto de rocío de los ácidos derivados del azufre (sulfúrico, sulfhídrico, sulfuroso, etc.), que surgen como consecuencia del contenido de azufre de los combustibles y que salen con los humos

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Los esquemas de circulación forzada se basan, por tanto, en una alimentación directa al calderín de la caldera de quemadores, circulando agua extraída de la parte inferior del mismo y a una temperatura variable, según la demanda de vapor. Circula, por tanto, una mezcla de agua saturada y agua fría de alimentación. Probablemente sean los petroleros los buques que más demandan el vapor, ya que lo necesitan para distintas funciones específicas, como pueden ser la calefacción de la carga, la descarga y limpieza de tanques. Esto les exige una planta generadora de vapor de cierta importancia, aunque su propulsión principal sea diesel. Si la propulsión principal fuese el vapor se suelen utilizar los generadores de doble evaporación o vapor/vapor. Estos consisten básicamente en un intercambiador de calor en el que se emplea como fluido calefactor el vapor vivo procedente de las calderas principales, mientras que el vapor secundario obtenido se emplea, en general, para aquellos servicios donde exista el riesgo de contaminación. Los componentes de una caldera de doble evaporación son, por tanto, un generador de alta presión (unos 40 bar), un intercambiador de calor, donde a partir del agua, no siempre de muy buena calidad, se produce vapor de baja presión (unos 12 bar o incluso más) y finalmente puede existir un sobrecalentador para el vapor de baja presión, calentado con los gases de escape del generador principal de alta presión. Como es sabido, la totalidad de las calderas propulsoras procedentes de los Estados Unidos, y un gran porcentaje de las europeas han sido las llamadas de dos colectores o tipo D (por la forma que describen los tubos), desarrolladas durante los años 1930 – 1940 y ampliamente aplicadas en las décadas de 1950 y 1960. Estas calderas suelen quemar combustibles residuales (más baratos) con contenidos importantes de azufre (corrosión en la zona de bajas temperaturas) y vanadio (corrosión en la zona de altas temperaturas). Otro tipo similar de caldera es la llamada de tipo A, que consta de un calderín o colector de vapor y dos colectores inferiores de agua. El control de las plantas generadoras de vapor anteriores exige una regulación tanto de las calorías cedidas por los gases de escape como del caudal del combustible a quemar, además del nivel de agua en el calderín de vapor. Todos estos controles se pueden conseguir por los siguientes métodos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Mediante by–pass de los gases de escape. Variando la superficie efectiva de intercambio de calor. Variando la presión de trabajo del vapor. Variando la temperatura del agua de circulación. Variando el caudal del agua de circulación. Condensando el exceso de vapor en un condensador auxiliar.

El fundamento físico de los métodos tercero y cuarto es que la transmisión del calor es proporcional a la diferencia media logarítmica de temperatura entre el fluido caliente y el frío, y que esta diferencia varía con la presión del vapor saturado y con la temperatura del agua de circulación a la entrada del intercambiador de calor o caldereta. Las instalaciones correspondientes a los esquemas a y b de la figura, sólo admiten el primer método de regulación. De todas formas es esencial tener en cuenta las necesidades mínimas

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de vapor, que pueden ser nulas, pues no conviene que alguna placa tubular quede sin circulación (refrigeración), por lo que resulta prácticamente obligado disponer de un pequeño condensador auxiliar que asegure un cierto consumo a un nivel mínimo (método quinto). En los caso de circulación forzada (esquemas d y e de la figura) todos los métodos son aceptables, siendo el primero la solución más simple. Sin embargo, para los grandes petroleros, el elevado caudal de gases hace que esta solución no se haya adoptado habitualmente, sino más bien el método segundo, o una combinación del tercero y el cuarto. Siempre se dispone, además, de un condensador auxiliar para cuando la demanda de vapor sea mínima. El método tercero presenta el inconveniente práctico de tener que trabajar con una presión de vapor variable. El cuarto está basado en un cambio de la temperatura del agua de circulación a la entrada de la caldera. Su margen de regulación es muy pequeño y por ello se usa en combinación con el método tercero. Desde el punto de vista de la complejidad del sistema de regulación el método primero es el más simple, mientras que la combinación del tercero y el cuarto resulta la más complicada. El método segundo es el intermedio, pero presenta el inconveniente de una mayor posibilidad de formación de depósitos en el interior de los tubos debido a la evaporación rápida que se produce después de cerrar las válvulas automáticas de control, por lo que si se utiliza este método se deben cuidar muy bien la calidad de las aguas que se usen.

Sistema de recuperación del calor de los gases de escape

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA NAVAL Y OCEÁNICA SITEMAS DE PROPULSIÓN DE BUQUES Y ARTEFACTOS

BIBLIOGRAFÍA SISTEMAS DE PROPULSIÓN DE BUQUES Y ARTEFACTOS Cód. 109114008

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