Una caldera es un recipiente cerrado en el que se calienta un fluido (generalmente agua ) . El líquido no necesariamente hierve . El fluido calentado o vaporizado sale de la caldera para su uso en diversos procesos o aplicaciones de calefacción, [1] [ página necesaria ] [2] [ página necesaria ] incluyendo calentamiento de agua , calefacción central , generación de energía basada en calderas , cocina y saneamiento .
En una central eléctrica de combustibles fósiles que utiliza un ciclo de vapor para generar energía, la principal fuente de calor será la combustión de carbón , petróleo o gas natural . En algunos casos, el combustible derivado, como los gases de escape ricos en monóxido de carbono de una batería de coque, se puede quemar para calentar una caldera; También se pueden utilizar biocombustibles como el bagazo , cuando estén económicamente disponibles. En una central nuclear, las calderas llamadas generadores de vapor se calientan con el calor producido por la fisión nuclear. Cuando se dispone de un gran volumen de gas caliente procedente de algún proceso, un generador de vapor con recuperación de calor o una caldera de recuperación pueden utilizar el calor para producir vapor, con poco o ningún consumo adicional de combustible; Esta configuración es común en una central eléctrica de ciclo combinado donde se utilizan una turbina de gas y una caldera de vapor. En todos los casos los gases residuales del producto de la combustión están separados del fluido de trabajo del ciclo de vapor, lo que convierte a estos sistemas en ejemplos de motores de combustión externa .
El recipiente a presión de una caldera suele estar fabricado de acero (o acero aleado ), o históricamente de hierro forjado . El acero inoxidable , especialmente del tipo austenítico , no se utiliza en las partes húmedas de las calderas debido a la corrosión y al agrietamiento por corrosión bajo tensión . [3] [ página necesaria ] Sin embargo, el acero inoxidable ferrítico se utiliza a menudo en secciones de sobrecalentadores que no estarán expuestas al agua hirviendo , y las calderas de carcasa de acero inoxidable calentadas eléctricamente están permitidas según la "Directiva de equipos a presión" europea para la producción de vapor para esterilizadores y desinfectantes. [4]
En los modelos de vapor vivo , se suele utilizar cobre o latón porque se fabrican más fácilmente en calderas de menor tamaño. Históricamente, el cobre se utilizaba a menudo para cámaras de combustión (particularmente para locomotoras de vapor ), debido a su mejor conformabilidad y mayor conductividad térmica; sin embargo, en tiempos más recientes, el alto precio del cobre a menudo hace que esta sea una opción antieconómica y en su lugar se utilizan sustitutos más baratos (como el acero). [ cita necesaria ]
Durante gran parte de la "era del vapor" victoriana, el único material utilizado para la calderería fue el hierro forjado de la más alta calidad , con montaje mediante remachado . Este hierro se obtenía a menudo en ferreterías especializadas , como las de la zona de Cleator Moor (Reino Unido), destacadas por la alta calidad de su chapa laminada , especialmente adecuada para su uso en aplicaciones críticas como calderas de alta presión. En el siglo XX, la práctica del diseño avanzó hacia el uso del acero, con construcción soldada , que es más resistente y más barata, y puede fabricarse más rápidamente y con menos mano de obra. Las calderas de hierro forjado se corroen mucho más lentamente que sus homólogas de acero modernas y son menos susceptibles a picaduras localizadas y corrosión por tensión. Eso hace que la longevidad de las calderas de hierro forjado más antiguas sea muy superior a la de las calderas de acero soldado. [ cita necesaria ]
Se puede utilizar hierro fundido para el recipiente de calentamiento de calentadores de agua domésticos. Aunque en algunos países estos calentadores suelen denominarse "calderas", su finalidad suele ser producir agua caliente, no vapor, por lo que funcionan a baja presión y tratan de evitar la ebullición. La fragilidad del hierro fundido lo hace poco práctico para calderas de vapor de alta presión.
La fuente de calor de una caldera es la combustión de cualquiera de varios combustibles , como madera , carbón , petróleo o gas natural . Las calderas de vapor eléctricas utilizan elementos calefactores de tipo resistencia o inmersión . La fisión nuclear también se utiliza como fuente de calor para generar vapor , ya sea directamente (BWR) o, en la mayoría de los casos, en intercambiadores de calor especializados llamados "generadores de vapor" (PWR). Los generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG) utilizan el calor rechazado de otros procesos, como la turbina de gas . [ cita necesaria ]
Hay dos métodos para medir la eficiencia de la caldera en el código de prueba de rendimiento (PTC) de ASME para calderas ASME PTC 4 [5] y para HRSG ASME PTC 4.4 y EN 12952-15 [6] para calderas acuotubulares:
El método directo de prueba de eficiencia de la caldera es más utilizable o más común.
dónde
Para medir la eficiencia de la caldera en el método indirecto, se necesitan parámetros como estos:
Las calderas se pueden clasificar en las siguientes configuraciones:
Para definir y proteger las calderas de forma segura, algunas organizaciones profesionales especializadas, como la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), desarrollan normas y códigos reglamentarios. Por ejemplo, el Código ASME para calderas y recipientes a presión es una norma que proporciona una amplia gama de reglas y directivas para garantizar el cumplimiento de las calderas y otros recipientes a presión con los estándares de seguridad y diseño. [8]
Históricamente, las calderas fueron una fuente de muchas lesiones graves y destrucción de propiedades debido a principios de ingeniería poco comprendidos. Las carcasas metálicas delgadas y quebradizas pueden romperse, mientras que las costuras mal soldadas o remachadas podrían abrirse, provocando una violenta erupción del vapor presurizado. Cuando el agua se convierte en vapor, se expande a más de 1000 veces su volumen original y viaja por tuberías de vapor a más de 100 kilómetros por hora (62 mph). Debido a esto, el vapor es un método eficiente para mover energía y calor alrededor de un sitio desde una sala de calderas central hasta donde se necesita, pero sin el tratamiento adecuado del agua de alimentación de la caldera, una planta de generación de vapor sufrirá formación de incrustaciones y corrosión. En el mejor de los casos, esto aumenta los costos de energía y puede generar vapor de mala calidad, eficiencia reducida, vida útil más corta de la planta y operación poco confiable. En el peor de los casos, puede provocar fallos catastróficos y la pérdida de vidas. Los tubos de caldera colapsados o desalojados también pueden arrojar vapor y humo hirviendo por la entrada de aire y el conducto de combustión, hiriendo a los bomberos que cargan el carbón en la cámara de combustión. Las calderas extremadamente grandes que proporcionan cientos de caballos de fuerza para hacer funcionar las fábricas pueden demoler edificios enteros. [9]
Una caldera que tiene una pérdida de agua de alimentación y se le permite hervir en seco puede ser extremadamente peligrosa. Si luego se envía agua de alimentación a la caldera vacía, la pequeña cascada de agua entrante hierve instantáneamente al entrar en contacto con la carcasa metálica sobrecalentada y provoca una explosión violenta que no puede controlarse ni siquiera mediante válvulas de vapor de seguridad. El drenaje de la caldera también puede ocurrir si se produce una fuga en las líneas de suministro de vapor que es mayor de lo que el suministro de agua de reposición podría reemplazar. El Hartford Loop fue inventado en 1919 por Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company como un método para ayudar a prevenir que ocurra esta condición y, por lo tanto, reducir sus reclamos de seguro. [10] [11]
Cuando se hierve agua el resultado es vapor saturado , también conocido como "vapor húmedo". El vapor saturado, aunque consiste principalmente en vapor de agua, transporta algo de agua no evaporada en forma de gotas. El vapor saturado es útil para muchos propósitos, como cocinar , calentar y limpiar , pero no es deseable cuando se espera que el vapor transmita energía a la maquinaria, como el sistema de propulsión de un barco o el "movimiento" de una locomotora de vapor . Esto se debe a que la inevitable pérdida de temperatura y/o presión que se produce cuando el vapor viaja desde la caldera a la maquinaria provocará cierta condensación, lo que provocará que se transporte agua líquida a la maquinaria. El agua arrastrada por el vapor puede dañar las palas de la turbina o, en el caso de una máquina de vapor alternativa , puede causar daños mecánicos graves debido al bloqueo hidrostático .
Las calderas de vapor sobrecalentado evaporan el agua y luego calientan aún más el vapor en un sobrecalentador , lo que hace que la temperatura del vapor descargado esté sustancialmente por encima de la temperatura de ebullición a la presión de funcionamiento de la caldera. Como el " vapor seco " resultante está mucho más caliente de lo necesario para permanecer en estado vaporoso, no contendrá ninguna cantidad significativa de agua no evaporada. Además, será posible una presión de vapor más alta que con vapor saturado, lo que permitirá que el vapor transporte más energía. Aunque el sobrecalentamiento agrega más energía al vapor en forma de calor, no tiene ningún efecto sobre la presión, que está determinada por la velocidad a la que se extrae el vapor de la caldera y los ajustes de presión de las válvulas de seguridad . [12] El consumo de combustible necesario para generar vapor sobrecalentado es mayor que el necesario para generar un volumen equivalente de vapor saturado. Sin embargo, la eficiencia energética general de la planta de vapor (la combinación de caldera, sobrecalentador, tuberías y maquinaria) generalmente mejorará lo suficiente como para compensar con creces el mayor consumo de combustible.
El funcionamiento del sobrecalentador es similar al de las bobinas de una unidad de aire acondicionado , aunque con un propósito diferente. La tubería de vapor se dirige a través de la ruta de los gases de combustión en el horno de la caldera, un área en la que la temperatura suele oscilar entre 1.300 y 1.600 grados Celsius (2.372 y 2.912 grados Fahrenheit). Algunos sobrecalentadores son de tipo radiante, que como su nombre indica, absorben el calor por radiación. Otros son del tipo convección y absorben calor de un fluido. Algunos son una combinación de los dos tipos. Mediante cualquiera de los métodos, el calor extremo en la ruta de los gases de combustión también calentará la tubería de vapor del sobrecalentador y el vapor que contiene.
El diseño de cualquier planta de vapor sobrecalentado presenta varios desafíos de ingeniería debido a las altas temperaturas y presiones de trabajo. Una consideración es la introducción de agua de alimentación a la caldera. La bomba utilizada para cargar la caldera debe poder superar la presión de funcionamiento de la caldera; de lo contrario, el agua no fluirá. Como una caldera sobrecalentada normalmente funciona a alta presión, la presión correspondiente del agua de alimentación debe ser aún mayor, lo que exige un diseño de bomba más robusto.
Otra consideración es la seguridad. El vapor sobrecalentado a alta presión puede ser extremadamente peligroso si se escapa involuntariamente. Para darle al lector una cierta perspectiva, las plantas de vapor utilizadas en muchos destructores de la Marina de los EE. UU. construidos durante la Segunda Guerra Mundial operaban a 600 psi (4100 kPa ; 41 bar ) de presión y 850 grados Fahrenheit (454 grados Celsius) de sobrecalentamiento. En caso de una ruptura importante del sistema, un peligro siempre presente en un buque de guerra durante el combate , la enorme liberación de energía del vapor sobrecalentado que se escapa, expandiéndose a más de 1600 veces su volumen confinado, equivaldría a una explosión cataclísmica, cuyo Los efectos se verían exacerbados por la liberación de vapor que ocurre en un espacio confinado, como la sala de máquinas de un barco . Además, las pequeñas fugas que no son visibles en el punto de fuga podrían ser letales si una persona se interpusiera en el camino del vapor que se escapa. Por lo tanto, los diseñadores se esfuerzan por dar a los componentes del sistema que manejan vapor la mayor resistencia posible para mantener la integridad. Se utilizan métodos especiales para acoplar tuberías de vapor para evitar fugas, con sistemas de muy alta presión que emplean juntas soldadas para evitar problemas de fugas con conexiones roscadas o con juntas .
Los generadores de vapor supercríticos se utilizan frecuentemente para la producción de energía eléctrica . Operan a presión supercrítica . A diferencia de una "caldera subcrítica", un generador de vapor supercrítico opera a una presión tan alta (más de 3200 psi o 22 MPa) que la turbulencia física que caracteriza la ebullición deja de ocurrir; el fluido no es ni líquido ni gaseoso, sino un fluido supercrítico. No se generan burbujas de vapor dentro del agua, porque la presión está por encima del punto de presión crítico en el que se pueden formar burbujas de vapor. A medida que el fluido se expande a través de las etapas de la turbina, su estado termodinámico cae por debajo del punto crítico a medida que trabaja haciendo girar la turbina que hace girar el generador eléctrico del que finalmente se extrae la energía. El fluido en ese punto puede ser una mezcla de vapor y gotas de líquido a medida que pasa al condensador . Esto da como resultado un uso ligeramente menor de combustible y, por lo tanto, una menor producción de gases de efecto invernadero . El término "caldera" no debe utilizarse para un generador de vapor de presión supercrítica, ya que en este dispositivo no se produce "ebullición".
Una caldera calentada con combustible debe proporcionar aire para oxidar su combustible. Las primeras calderas proporcionaban esta corriente de aire, o tiro , mediante la acción natural de la convección en una chimenea conectada al escape de la cámara de combustión. Dado que los gases de combustión calentados son menos densos que el aire ambiente que rodea la caldera, los gases de combustión ascienden por la chimenea, arrastrando aire fresco y más denso hacia la cámara de combustión. [ cita necesaria ]
La mayoría de las calderas modernas dependen del tiro mecánico en lugar del tiro natural. Esto se debe a que el tiro natural está sujeto a las condiciones del aire exterior y a la temperatura de los gases de combustión que salen del horno, así como a la altura de la chimenea. Todos estos factores hacen que sea difícil lograr un tiro adecuado y, por lo tanto, hacen que los equipos de tiro mecánico sean mucho más confiables y económicos. [ cita necesaria ]
Los tipos de tiro también se pueden dividir en tiro inducido , donde los gases de escape se extraen de la caldera; tiro forzado , donde se empuja aire fresco hacia la caldera; y calado equilibrado , donde se emplean ambos efectos. El tiro natural mediante el uso de una chimenea es un tipo de tiro inducido; El tiro mecánico puede ser inducido, forzado o equilibrado.
Hay dos tipos de tiro inducido mecánico. La primera es mediante el uso de un chorro de vapor. El chorro de vapor orientado en la dirección del flujo de gases de combustión induce los gases de combustión hacia la chimenea y permite una mayor velocidad de los gases de combustión, lo que aumenta el tiro general en el horno. Este método era común en las locomotoras de vapor que no podían tener chimeneas altas. El segundo método consiste simplemente en utilizar un ventilador de tiro inducido (ventilador ID) que elimina los gases de combustión del horno y los fuerza a subir por la chimenea. Casi todos los hornos de tiro inducido funcionan con una presión ligeramente negativa.
El tiro forzado mecánico se proporciona mediante un ventilador que fuerza el aire hacia la cámara de combustión. El aire suele pasar a través de un calentador de aire; que, como sugiere el nombre, calienta el aire que ingresa al horno para aumentar la eficiencia general de la caldera. Las compuertas se utilizan para controlar la cantidad de aire admitido en el horno. Los hornos de tiro forzado suelen tener una presión positiva.
El tiro equilibrado se obtiene mediante el uso de tiro tanto inducido como forzado. Esto es más común en calderas más grandes donde los gases de combustión tienen que viajar una gran distancia a través de muchos pasos de caldera. El ventilador de tiro inducido funciona junto con el ventilador de tiro forzado, lo que permite mantener la presión del horno ligeramente por debajo de la atmosférica.
