Una caldera és un intercanviador de calor en què l’energia s’aporta generalment per un procés de combustió, o també per la calor continguda en un gas que circula a través d’ella.

En ambdós casos, la calor aportada es transmet a un fluid, que es vaporitza o no, i es transporta a un consumidor, on aquesta energia s’hi cedeix.

L'estructura real d'una caldera dependrà molt del tipus que sigui. No obstant això, de manera general, podem descriure’n les parts següents:

Cremador: serveix per cremar el combustible.

Fogar: allotja el cremador en el seu interior i s’hi realitza la combustió del combustible utilitzat i la generació dels gasos calents.

Tubs d'intercanvi de calor: el flux de calor des dels gasos fins a l'aigua té lloc a través de la seva superfície. També s'hi generen les bombolles de vapor.

Separador líquid-vapor: és necessari per separar les gotes d'aigua líquida en suspensió en el corrent de vapor.

Economitzador: és un equip d'intercanvi de calor per preescalfar l'aigua líquida amb els gasos encara calents, abans d’alimentar-la a la caldera.

Xemeneia: és la via d'escapament dels fums i dels gasos de combustió després d'haver cedit calor al fluid.

Carcassa: conté el fogar i el sistema de tubs d'intercanvi de calor.

2.1 Calor sensible i calor latent

La calor sensible és la calor que s'empra per variar la temperatura d'un cos, en aquest cas aigua o fluid tèrmic. Està relacionada amb la calor específica, que en el cas de l'aigua líquida és d’1 kcal/kg ºC.

La calor latent és la calor emprada per produir un canvi d'estat en un cos, com ara la vaporització de l'aigua, la calor latent de vaporització de la qual és de 540 kcal/kg (a 100º C).

2.2 Condensació, PCS i PCI

1. L'hidrogen contingut en els hidrocarburs produeix aigua en la combustió, que a causa de les altes temperatures del procés, passa immediatament a l'estat de vapor.

   CH₄ + 2 O₂ 2 H₂O (vapor d’aigua) + CO₂ + calor

2. Part de la calor alliberada es consumeix en vaporitzar aquesta aigua. A la gràfica es representa aquesta calor com la diferència entre H_S i H_i.
3. H_S representa el poder calorífic superior (PCS) i H_i el poder calorífic inferior (PCI). La diferència entre ells correspon justament a la calor latent de vaporització de l'aigua, que es produeix en formar-se el vapor. S'està perdent una calor que es podria aprofitar en la instal·lació.

2.3 Recuperadors de la calor dels fums

Els fums que es generen en la combustió travessen les diferents parts de la caldera, on cedeixen la seva calor i es redueix la seva temperatura fins que s’evacuen a l'exterior per la xemeneia.

Els economitzadors i els recuperadors de calor dels fums tenen com a objectiu la reducció de la temperatura dels fums, dins de límits admissibles, per tal que cedeixin la seva calor a un fluid, i el preescalfin.

Són intercanviadors de calor, generalment formats per paquets tubulars.

Qualsevol sistema de recuperació de la calor dels fums representa una millora sensible en el rendiment i una economia en la despesa de combustibles.

La millora de rendiment de la caldera que es produeix per la instal·lació d’un recuperador de la calor dels fums oscil·la, normalment i segons els casos, entre l’1% i el 5% aproximadament.

Les pèrdues pels fums que surten per la xemeneia són les més significatives en les calderes, de l'ordre del 5% al 15%, segons els casos.

Les calderes es poden classificar en calderes tèrmiques i calderes elèctriques. Les tèrmiques poden dividir-se, al seu torn, en tres grups:

3.1 Pirotubulars, o de tubs de fums

Aquestes calderes són diferents segons si el combustible és carbó o un combustible líquid o gasós.

En tots dos tipus s‘obliga els gasos de combustió a passar per l'interior d'uns tubs que es troben submergits dins de la massa d'aigua.

Tot el conjunt, aigua i tubs de gasos, es troba envoltat per una carcassa exterior.

Els gasos calents, en circular pels tubs, cedeixen la calor sensible, que es transmet a través del tub i passa a l'aigua, que s'escalfa, al mateix temps que la part de l'aigua més propera als tubs es vaporitza.

La pressió de treball no excedeix 29 kg/cm2 i la màxima producció de vapor sol ser de l'ordre de 25 t/h.

En funció del combustible, es distingeixen dos tipus de calderes pirotubulars:

a. Calderes pirotubulars de carbó. Les calderes dissenyades per cremar carbó tenen un fogar ampli on, per tant, s'originen pèrdues importants de calor per convecció i per radiació. És imprescindible un bon aïllament al fogar. Aquestes calderes es poden utilitzar també per a la combustió d'altres combustibles sòlids.

b. Calderes pirotubulars per a combustibles líquids o gasosos. Es diferencien, bàsicament, de les anteriors en la mida i/o en la situació del fogar. Al seu torn poden ser de dos tipus:

• De fogar integral: El combustible cremat és líquid o gas, per la qual cosa s'obté una flama allargada a la part baixa del fogar, que és molt més petit que a les calderes de carbó.
• Compacta amb tub fogar: En aquestes calderes hi ha un tub central submergit dins l'aigua, que fa de fogar. Els gasos de combustió cedeixen calor a aquest tub per radiació. Posteriorment són obligats a passar per la resta dels tubs menors que també estan submergits dins aigua.

3.2 Aquotubulars, o de tubs d’aigua

Normalment, a la indústria s'utilitzen les calderes de vapor aquotubulars que funcionen a pressions inferiors a 64 kg/cm2 i a temperatures inferiors a 450º C.

La diferència principal entre aquest tipus de calderes i les pirotubulars és la manera com circulen els fluids per l'interior. En el cas de les aquotubulars, és l'aigua o la barreja aigua-vapor la que circula per l'interior dels tubs. Els gasos circulen entre aquests i la carcassa exterior. A les calderes pirotubulars passa el contrari.

Pel que fa a les calderes amb capacitats de vaporització des de 3 t/h fins a 100 t/h, se’n poden distingir dos tipus:

a. Calderes aquotubulars compactes

• Construïdes totalment en tallers i enviades com un bloc al lloc d'utilització.
• Es poden subministrar per cremar combustibles líquids o gasosos.
• Requereixen poques obres.
• Se’n diferencien dos tipus: de fogar integral petites (fins a 60 t/h) i de fogar integral grans (fins a 200 t/h)

b. Calderes aquotubulars no compactes

• Aquestes calderes es munten en obra.
• Se’n diferencien dos tipus: de tubs rectes i de tubs corbats.

3.3 Calderes de llit fluïditzat

En elles el llit de partícules de carbó i calcària es troba en suspensió en el corrent de gasos de combustió, i tot el conjunt es comporta com un fluid.

Poden reduir en un 95% les emissions de SO2 gràcies a la calcària i també les de NOx, perquè la temperatura de combustió és d'uns 850º C.

Es poden classificar en tres tipus:

• Bombolles: pràcticament no es produeixen arrossegaments de partícules. La velocitat màxima del gas a través del llit és de 3,5 m/s.
• Circulant: es produeixen arrossegaments de partícules que es recullen en ciclons especials, que retornen al fogar. La velocitat del gas pot arribar a 9 m/s.
• Pressuritzada: fogar pressuritzat que permet la millora del rendiment total del cicle.

Avantatges de les calderes pirotubulars

• Capacitat de suportar fluctuacions de càrrega brusques i grans, només amb lleugeres variacions en la pressió a causa de la gran quantitat d'aigua emmagatzemada.
• Baix cost inicial.
• Baix cost de manteniment.
• Simplicitat de la instal·lació que només exigeix la fonamentació i la interconnexió de la caldera a les xarxes d'aigua, vapor, combustible i electricitat de la fàbrica.

Les calderes compactes són més barates pel que fa al cost inicial que les aquotubulars per a la producció de vapor de fins a 25 t/h. En condicions òptimes i a la màxima càrrega, poden assolir un rendiment de fins al 90% o més, superior normalment al de les calderes aquotubulars.

Desavantatges de les calderes pirotubulars

• Limitació en la mida per resistència de la carcassa.
• Tensions tèrmiques altes: La diferència de temperatures entre els dos costats dels tubs és gran, per la qual cosa el flux tèrmic a dissipar també ho és, i això provoca l’envelliment prematur dels materials.
• Risc d'explosió per l'efecte combinat del què s’ha exposat anteriorment i de les incrustacions, que dificulten la transmissió de calor, i que poden provocar un augment excessiu de la temperatura i de la pressió dins dels tubs.

A la major part de les indústries, el vapor pressuritzat és la forma de transport i de distribució d'energia calorífica a les diferents parts de la planta. Per això, la generació de vapor en calderes és una operació molt important.

Les aplicacions de les calderes de vapor són molt nombroses i el seu aprofitament en els diferents sectors industrials és molt estès.

A continuació es resumeixen una sèrie de recomanacions pràctiques que indiquen una pauta d'actuació, encaminada a optimitzar les activitats de manteniment i conservació a les calderes per a generació d'energia en plantes industrials:

1) Reducció de les pèrdues de calor:

• Defectes en l'aïllament tèrmic.
• Fuites per brides, premses de vàlvules, etc.
• Funcionament correcte del sistema de recuperació de condensació.

2) Millora del rendiment i del funcionament:

Funcionament correcte de les calderes, amb la comprovació, especialment, dels següents paràmetres:

• Sutge: es produeix en combustions incompletes. Ajusteu cremadors i realitzeu tasques de neteja.
• Estanquitat: Es poden produir entrades paràsites d'aire, o fuites de fums (atenció al CO). Detecteu i corregiu.
• Ventilació: Una entrada insuficient d'aire exterior pot empobrir el contingut d'oxigen en l'aire comburent i disminuir l'eficiència de la combustió. Mantingueu els forats o reixetes d'entrada lliures i nets.
• Xemeneies: Extraieu periòdicament els sutges dipositats generalment a la base, que poden obstruir parcialment la sortida de fums, i influir negativament en el tir i, per tant, en la combustió. A més, el sutge conté restes de sofre que en contacte amb l'aigua de pluja pot produir àcid sulfúric que corroeix les parets metàl·liques.
• Condensacions en els fums: Impediu que les temperatures d'entrada dels fluids en els economitzadors o en els recuperadors de calor baixi per sota del punt de rosada de l'anhídrid sulfurós/sulfúric dels fums (aprox. 130º C), per impedir-ne la condensació i la formació d'àcid sulfúric.
• Incrustacions a les superfícies d'intercanvi de calor: Verifiqueu sistemàticament la bona qualitat de l'aigua d'alimentació i, sobretot, de l'aigua de caldera. Les incrustacions en aquestes superfícies dificulten la transmissió de calor a través d'elles, i redueixen sensiblement el rendiment. Fins i tot pot arribar a formar-se una capa tan gruixuda que impedeixi la refrigeració dels tubs o, encara pitjor, del fogar ondulat a les calderes pirotubulars, fet que en provocaria el trencament o l’aixafament.

Funcionament correcte dels cremadors, prestant especial atenció als aspectes següents:

• Comproveu que la polvorització es realitza correctament amb els combustibles líquids. Verifiqueu i netegeu sistemàticament els caps de polvorització mecànica, o assistida, o per centrifugació.
• Seguiu meticulosament les instruccions del fabricant per situar exactament els elements en la seva posició correcta, mantenint les distàncies prescrites. De no ser així, es provoquen enceses defectuoses, combustions incompletes i, com a conseqüència, una baixada del rendiment.

Regulació i control dels sistemes amb la comprovació del seu bon funcionament, especialment pel que fa a:

• Cabals, temperatures i pressions dels combustibles.
• Cabals, temperatures i pressions de l'aigua d'alimentació.
• Cabals, temperatures i pressions del vapor, o de l'aigua sobreescalfada que genera la caldera.
• Valors de consigna i bandes d'actuació dels diferents sistemes.
• Actuació correcta de les proteccions i elements de seguretat mecànics i elèctrics.
• Revisió i comprovació de funció de quadres elèctrics.

Informació complementària: Vegeu el catàleg Generació de vapor i el catàleg Calderes de vapor.