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Calderas

  • 1. Descripción

    Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido en un gas que circula a través de ella.

    En ambos casos, el calor aportado se transmite a un fluido, que se vaporiza o no, y se transporta a un consumidor, en el que se cede esa energía.

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

    Quemador: sirve para quemar el combustible.

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

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

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

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

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

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

    Esquema general de una caldera de vapor

  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Calor sensible y Calor latente

    Calor sensible es el calor que se emplea en variar la temperatura de un cuerpo, en este caso agua o fluido térmico. Está relacionado con el calor específico, que en caso del agua líquida es de 1kcal/kg ºC.

    Calor latente es el calor empleado en producir un cambio de estado en un cuerpo, como por ejemplo la vaporización del agua, cuyo calor latente de vaporización es de 540kcal/kg (a 100ºC).

    2.2 Condensación, PCS y PCI

    1. El hidrógeno contenido en los hidrocarburos produce agua en la combustión, que debido a las altas temperaturas del proceso, pasa inmediatamente al estado vapor.

      CH4 + 2 O2 2 H2O (vapor de agua) + CO2 + calor

    2. Parte del calor liberado se consume en vaporizar esta agua. En la gráfica está representado este calor como la diferencia entre HS y Hi.
    3. HS representa el Poder Calorífico Superior (PCS) y Hi el Poder Calorífico Inferior (PCI). La diferencia entre ellos corresponde justamente al calor latente de vaporización del agua, que se produce al formarse el vapor se está perdiendo un calor que se podría aprovechar en la instalación.

    Diferencias entre el PCS y el PCI

    Pérdidas de calor en una caldera

    2.3 Recuperadores del calor de los humos

    Los humos que se generan en la combustión atraviesan las distintas partes de la caldera cediendo su calor y reduciendo su temperatura hasta evacuarse al exterior por la chimenea.

    Los economizadores y los recuperadores de calor de los humos tienen como objetivo la reducción de la temperatura de los humos, dentro de límites admisibles, para que cedan su calor a un fluido, precalentándolo.

    Son intercambiadores de calor, generalmente formados por paquetes tubulares.

    Cualquier sistema de recuperación del calor de los humos representa una sensible mejora en el rendimiento y una economía en el gasto de combustibles.

    La mejora de rendimiento de la caldera que se produce por la instalación de un recuperador del calor de los humos oscila, normalmente y según los casos, entre el 1% y el 5% aproximadamente.

    Las pérdidas por los humos que salen por la chimenea son las más significativas en las calderas, del orden del 5% al 15%, según los casos.

  • 3. Componentes

    Las calderas se pueden clasificar en calderas térmicas y calderas eléctricas. Las calderas térmicas pueden dividirse a su vez en tres grupos:

    3.1 Pirotubulares, o de tubos de humos

    Esquema de una caldera pirotubular

    Estas calderas son diferentes según que el combustible sea carbón o un combustible líquido o gaseoso.

    En ambos tipos los gases de combustión son obligados a pasar por el interior de unos tubos que se encuentran sumergidos en el interior de la masa de agua.

    Todo el conjunto, agua y tubos de gases, se encuentra rodeado por una carcasa exterior.

    Los gases calientes al circular por los tubos ceden el calor sensible, el cual se transmite a través del tubo pasando al agua, que se calienta, al mismo tiempo que la parte del agua más próxima a los tubos se vaporiza.

    La presión de trabajo no excede de 29kg/cm2 y la máxima producción de vapor suele ser del orden de 25t/h.

    En función del combustible, se distinguen dos tipos de calderas pirotubulares:

    a. Calderas pirotubulares de carbón. Las calderas diseñadas para quemar carbón tienen un hogar amplio donde, por lo tanto, se originan pérdidas importantes de calor por convección y radiación, siendo imprescindible un buen aislamiento en el hogar. Estas calderas se pueden utilizar también para la combustión de otros combustibles sólidos.

    b. Calderas pirotubulares para combustibles líquidos o gaseosos. Se diferencian, básicamente, de la anteriores en el tamaño y/o la situación del hogar. A su vez pueden ser de dos tipos:

    • De hogar integral: El combustible quemado es líquido o gas, por lo que se obtiene una llama alargada por la parte baja del hogar, que es mucho más pequeño que en las calderas de carbón.
    • Compacta con tubo hogar: En estas calderas existe un tubo central sumergido en el agua, el cual hace de hogar. Los gases de combustión ceden calor a este tubo por radiación. Posteriormente son obligados a pasar por el resto de los tubos menores que también están sumergidos en agua.

    3.2 Acuotubulares, o de tubos de agua

    Normalmente en la industria se utilizan las calderas de vapor acuotubulares funcionando a presiones inferiores a 64kg/cm2 y temperaturas inferiores a 450ºC.

    La diferencia principal entre este tipo de calderas y las pirotubulares es el modo en que circulan los fluidos por el interior. En el caso de las acuotubulares, es el agua o la mezcla agua-vapor la que circula por el interior de los tubos, circulando los gases entre éstos y la carcasa exterior. En las calderas pirotubulares ocurre al contrario.

    Haciendo referencia a calderas con capacidades de vaporización desde 3t/h hasta 100t/h, se pueden distinguir dos tipos:

    a. Calderas acuotubulares compactas

    • Construidas totalmente en talleres y enviadas como un bloque al lugar de utilización.
    • Pueden suministrarse para quemar combustibles líquidos o gaseosos.
    • Necesitan poco albañilería.
    • Se diferencian dos tipos: De hogar integral pequeñas (hasta 60t/h) y de hogar integral grandes (hasta 200t/h)

    b. Calderas acuotubulares no compactas

    • Estas calderas son montadas en obra.
    • Se diferencian dos tipos: De tubos rectos y de tubos curvados

    3.3 Calderas de lecho fluidizado

    En ellas el lecho de partículas de carbón y caliza se encuentra en suspensión en la corriente de gases de combustión, comportándose todo el conjunto como un fluido.

    Son capaces de reducir en un 95% las emisiones de SO2 gracias a la caliza, y también las de NOx, por ser la temperatura de combustión de unos 850ºC.

    Pueden clasificarse en tres tipos:

    • Burbujeante: prácticamente no se producen arrastres de partículas. La velocidad máxima del gas a través del lecho es 3,5m/s.
    • Circulante: se producen arrastres de partículas que se recogen en ciclones especiales, devolviéndose al hogar. La velocidad del gas puede alcanzar 9m/s.
    • Presurizado: hogar presurizado permitiendo la mejora del rendimiento total del ciclo
  • 4. Ventajas e inconvenientes
    Ventajas de las calderas pirotubulares
    • Capacidad de soportar fluctuaciones de carga bruscas y grandes, produciéndose sólo ligeras variaciones en la presión debido a la gran cantidad de agua almacenada.
    • Bajo coste inicial.
    • Bajo coste de mantenimiento.
    • Simplicidad de la instalación que sólo exige la cimentación y el interconexionado de la caldera a las redes de agua, vapor, combustible y electricidad de la fábrica.

    Las calderas compactas son más baratas en coste inicial que las acuotubulares para la producción de vapor de hasta 25t/h. En condiciones óptimas y a la máxima carga, pueden alcanzar un rendimiento de hasta el 90% o más, superior normalmente al de las calderas acuotubulares.

    Inconvenientes de las calderas pirotubulares
    • Limitación en tamaño por resistencia de la carcasa.
    • Tensiones térmicas altas: La diferencia de temperaturas entre ambos lados de los tubos es grande por lo que el flujo térmico a disipar también lo es, lo que provoca envejecimiento prematuro de los materiales.
    • Riesgo de explosión por el efecto combinado de lo anterior y las incrustaciones, que dificultan la transmisión de calor, y que puede provocar un aumento excesivo de la temperatura y la presión en el interior de los tubos.
  • 5. Aplicaciones

    En la mayor parte de las industrias, el vapor presurizado es la forma de transporte y distribución de energía calorífica a las distintas partes de la planta. Por ello, la generación de vapor en calderas es una operación muy importante.

    Las aplicaciones de las calderas de vapor son muy numerosas, y su empleo en los diferentes sectores industriales es muy extendido.

    Aplicaciones industriales de las calderas
    Madera Detergentes Papel y cartón
    • Secaderos de chapa
    • Prensas
    • Secaderos de tablón
    • Fosos de vaporización
    • Líneas de barnizado
    • Cabinas de pintura
    • Secaderos de atomización
    • Autoclaves
    • Cubas, etc.
    • Secaderos
    • Engomadores
    • Parafinadoras calandras
    Corcho Muebles Textil
    • Calderas de cocción
    • Acabado de superficies
    • Secadero granulado
    • Curado de aglomerado
    • Prensas
    • Encoladoras, etc.
    • Paneles barnizados
    • Secaderos
    • Tratamiento de superficies
    • Ambientación, etc.
    • Rames de termofijación
    • Estampadoras
    • Calandras
    • Baños de tintes
    Betunes y asfaltos Caucho Química
    • Cartón bituminoso
    • Calentamiento de redes
    • Calentamiento de masas
    • Emulsiones, etc.
    • Cilindros
    • Prensa de vulcanizar
    • Hornos de cocción
    • Autoclaves, etc.
    • Autoclaves
    • Columnas de destilación
    • Reactores
    • Secaderos, etc.
    Curtido Conservera Alimenticia
    • Producción de agua caliente
    • Secaderos de vacío
    • Pigmentado
    • Producción de vapor, etc.
    • Autoclaves
    • Agua caliente
    • Aparatos de cocción
    • Producción de vapor, etc.
    • Cocinas industriales
    • Autoclaves
    • Freidoras industriales
    • Intercambiadores, etc.
    Hostelera Metalurgia Plásticos
    • Calandras
    • Lavadoras y secadoras
    • Calefacción
    • Agua caliente sanitaria
    • Desengrase
    • Galvanizado
    • Tratamiento de superficies
    • Secado (túneles), etc.
    • Prensas hidráulicas
    • Cilindros
    • Impresoras
    • Terminofijación, etc.
  • 6. Medidas de eficiencia

    Se resumen a continuación una serie de recomendaciones prácticas que indican una pauta de actuación, encaminada a optimizar las actividades de mantenimiento y conservación en las calderas para generación de energía en plantas industriales:

    1) Reducción de las pérdidas de calor:

    • Defectos en el aislamiento térmico.
    • Fugas por bridas, prensas de válvulas, etc.
    • Funcionamiento correcto del sistema de recuperación de condensados.

    2) Mejora del rendimiento y del funcionamiento:

    Funcionamiento correcto de las calderas, comprobando, especialmente, los siguientes parámetros:

    • Hollín: Se produce en combustiones incompletas. Ajustar quemadores, y realizar labores de limpieza.
    • Estanqueidad: Pueden producirse entradas parásitas de aire, o fugas de humos (atención al CO). Detectar y corregir.
    • Ventilación: Una entrada insuficiente de aire exterior puede empobrecer el contenido de oxígeno en el aire comburente, y disminuir la eficiencia de la combustión. Mantener los huecos, o rejillas de entrada libres y limpios.
    • Chimeneas: Extraer periódicamente los hollines depositados generalmente en su base, que pueden obstruir parcialmente la salida de humos, influyendo negativamente en el tiro y, por tanto, en la combustión. Además, el hollín contiene restos de azufre que en contacto con el agua de lluvia puede producir ácido sulfúrico que corroe las paredes metálicas.
    • Condensaciones en los humos: Impedir que las temperaturas de entrada de los fluidos a los economizadores o recuperadores de calor descienda por debajo del punto de rocío del anhídrido sulfuroso/sulfúrico de los humos (aprox. 130ºC), para impedir su condensación y formación de ácido sulfúrico.
    • Incrustaciones en las superficies de intercambio de calor: Verificar sistemáticamente la buena calidad del agua de alimentación y, sobre todo, del agua de caldera. Las incrustaciones en estas superficies dificultan la transmisión de calor a través de ellas disminuyendo sensiblemente el rendimiento. Puede llegar incluso, a formarse una capa tan gruesa, que impida la refrigeración de los tubos o, lo que es peor, del hogar ondulado en las calderas pirotubulares, originando su rotura o aplastamiento.

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

    • Comprobar que la pulverización se realiza correctamente con los combustibles líquidos. Verificar y limpiar sistemáticamente las cabezas de pulverización mecánica, o asistida, o por centrifugación.
    • Seguir meticulosamente las instrucciones del fabricante para situar exactamente los elementos en su posición correcta, manteniendo las distancias prescritas. De no ser así, se provocan encendidos defectuosos, combustiones incompletas y, como consecuencia, descenso del rendimiento.

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

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

    Información complementaria: Ver Catálogo Generación de Vapor y Catálogo Calderas de Vapor.

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