Una caldera o generador de vapor es un dispositivo que se utiliza para crear vapor aplicando energía térmica al agua . Aunque las definiciones son algo flexibles, se puede decir que los generadores de vapor más antiguos se denominaban comúnmente calderas y trabajaban a presión baja a media (7 a 2000 kPa o 1 a 290 psi ) pero, a presiones superiores a esta, es más habitual hablar de un generador de vapor .
Siempre que se requiera una fuente de vapor se utiliza una caldera o un generador de vapor. La forma y el tamaño dependen de la aplicación: las máquinas de vapor móviles , como las locomotoras de vapor , los motores portátiles y los vehículos de carretera impulsados por vapor, suelen utilizar una caldera más pequeña que forma parte integral del vehículo; Las máquinas de vapor estacionarias , las instalaciones industriales y las centrales eléctricas suelen tener una instalación de generación de vapor separada más grande conectada al punto de uso mediante tuberías. Una excepción notable es la locomotora sin fuego propulsada por vapor , donde el vapor generado por separado se transfiere a un receptor (tanque) en la locomotora.
El generador de vapor o caldera de vapor es un componente integral de una máquina de vapor cuando se considera como motor primario . Sin embargo, es necesario tratarlo por separado, ya que hasta cierto punto se pueden combinar diversos tipos de generadores con diversas unidades de motor. Una caldera incorpora una cámara de combustión u horno para quemar el combustible y generar calor . El calor generado se transfiere al agua para producir vapor , el proceso de ebullición . Esto produce vapor saturado a una velocidad que puede variar según la presión sobre el agua hirviendo. Cuanto mayor sea la temperatura del horno, más rápida será la producción de vapor. El vapor saturado así producido puede usarse inmediatamente para producir energía a través de una turbina y un alternador , o puede sobrecalentarse aún más a una temperatura más alta; esto reduce notablemente el contenido de agua en suspensión, haciendo que un volumen determinado de vapor produzca más trabajo y crea un mayor gradiente de temperatura, lo que ayuda a reducir el potencial de formación de condensación . El calor restante en los gases de combustión puede evacuarse o hacerse pasar a través de un economizador , cuya función es calentar el agua de alimentación antes de que llegue a la caldera.
Para el primer motor Newcomen de 1712, la caldera era poco más que una gran tetera instalada debajo del cilindro de potencia. Debido a que la potencia del motor se derivaba del vacío producido por la condensación del vapor, se necesitaban grandes volúmenes de vapor a muy baja presión, apenas más de 1 psi (6,9 kPa ). Toda la caldera estaba empotrada en ladrillos que retenían algo de calor. Un voluminoso fuego de carbón estaba encendido sobre una parrilla debajo de la cacerola ligeramente cóncava que proporcionaba una superficie de calentamiento muy pequeña; Por lo tanto, se desperdiciaba una gran cantidad de calor por la chimenea . En modelos posteriores, especialmente los de John Smeaton , la superficie de calentamiento se incrementó considerablemente haciendo que los gases calentaran los lados de la caldera, pasando a través de un conducto de humos . Smeaton alargó aún más el recorrido de los gases mediante un conducto de humos en forma de laberinto en espiral debajo de la caldera. Estas calderas de bajo fuego se utilizaron de diversas formas a lo largo del siglo XVIII. Algunas eran de sección redonda (haycock). Boulton y Watt desarrollaron una versión más larga de planta rectangular alrededor de 1775 (caldera superior de vagón). Se trata de lo que hoy se conoce como caldera de tres pasos: el fuego calienta la parte inferior, los gases pasan luego a través de un conducto de humos tubular central de sección cuadrada y finalmente alrededor de los laterales de la caldera.
Uno de los primeros defensores de la forma cilíndrica fue el ingeniero británico John Blakey, quien propuso su diseño en 1774. [1] [2] Otro defensor temprano fue el ingeniero estadounidense Oliver Evans , quien reconoció con razón que la forma cilíndrica era la mejor de las punto de vista de la resistencia mecánica y hacia finales del siglo XVIII comenzó a incorporarlo a sus proyectos. [ cita necesaria ] Probablemente inspirado por los escritos sobre el esquema del motor de "alta presión" de Leupold que apareció en obras enciclopédicas de 1725, Evans favoreció el "vapor fuerte", es decir, motores sin condensación en los que la presión del vapor por sí sola impulsaba el pistón y luego se agotaba para atmósfera. Según él, la ventaja del vapor fuerte era que se podía realizar más trabajo con volúmenes más pequeños de vapor; esto permitió reducir el tamaño de todos los componentes y adaptar los motores al transporte y a pequeñas instalaciones. Para ello desarrolló una caldera horizontal de hierro forjado, larga y cilíndrica , en la que se incorporó un único tubo de fuego, en uno de cuyos extremos se colocó la parrilla de fuego . Luego, el flujo de gas se invertía en un pasaje o conducto debajo del barril de la caldera, luego se dividía para regresar a través de conductos laterales para unirse nuevamente en la chimenea (caldera con motor colombiano). Evans incorporó su caldera cilíndrica en varios motores, tanto estacionarios como móviles. Debido a consideraciones de espacio y peso, estos últimos tenían un escape de una sola pasada directamente desde el tubo de combustión a la chimenea. Otro defensor del "vapor fuerte" en ese momento fue el ciudadano de Cornualles Richard Trevithick . Sus calderas funcionaban a 40-50 psi (276-345 kPa) y al principio tenían forma hemisférica y luego cilíndrica. A partir de 1804, Trevithick produjo una pequeña caldera de humos de dos pasos o de retorno para motores de locomotoras y semiportátiles. La caldera de Cornualles desarrollada alrededor de 1812 por Richard Trevithick era a la vez más fuerte y más eficiente que las calderas simples que la precedieron. Consistía en un tanque de agua cilíndrico de aproximadamente 27 pies (8,2 m) de largo y 7 pies (2,1 m) de diámetro, y tenía una rejilla para carbón colocada en un extremo de un único tubo cilíndrico de aproximadamente tres pies de ancho que pasaba longitudinalmente dentro del tanque. . El fuego se alimentaba desde un extremo y los gases calientes viajaban a lo largo del tubo y salían por el otro extremo, para circular nuevamente a lo largo de los conductos de humos que recorrían el exterior y luego una tercera vez por debajo del barril de la caldera antes de ser expulsados a una chimenea. Posteriormente, esto fue mejorado por otra caldera de 3 pasos, la caldera Lancashire , que tenía un par de hornos en tubos separados, uno al lado del otro. Esta fue una mejora importante ya que cada horno se podía alimentar en diferentes momentos, lo que permitía limpiar uno mientras el otro estaba en funcionamiento.
Las calderas de locomotoras de ferrocarril eran generalmente del tipo de 1 paso, aunque en los primeros tiempos, las calderas de "retorno" de 2 pasos eran comunes, especialmente en las locomotoras construidas por Timothy Hackworth .
En Francia se dio un importante paso adelante en 1828, cuando Marc Seguin ideó una caldera de dos pasos, cuyo segundo paso estaba formado por un haz de múltiples tubos. Un diseño similar con inducción natural utilizado para fines marinos fue la popular caldera marina escocesa .
Antes de los juicios de Rainhill de 1829, Henry Booth , tesorero del ferrocarril de Liverpool y Manchester , sugirió a George Stephenson un esquema para una caldera horizontal multitubular de un solo paso compuesta por dos unidades: una cámara de combustión rodeada de espacios de agua y un barril de caldera. formado por dos anillos telescópicos en cuyo interior se montaban 25 tubos de cobre; el haz de tubos ocupaba gran parte del espacio de agua en el barril y mejoraba enormemente la transferencia de calor . El viejo George comunicó inmediatamente el plan a su hijo Robert y esta fue la caldera utilizada en el Stephenson's Rocket , ganador absoluto de la prueba. El diseño formó la base para todas las locomotoras posteriores construidas por Stephensonian, y fue adoptado inmediatamente por otros constructores; Este modelo de caldera pirotubular se ha construido desde entonces.
La caldera de 1712 se ensambló a partir de placas de cobre remachadas con una parte superior abovedada de plomo en los primeros ejemplos. Las calderas posteriores se fabricaron con pequeñas placas de hierro forjado remachadas entre sí. El problema era producir placas lo suficientemente grandes, de modo que incluso presiones de alrededor de 50 psi (344,7 kPa ) no eran absolutamente seguras, ni tampoco la caldera semiesférica de hierro fundido utilizada inicialmente por Richard Trevithick. Esta construcción con placas pequeñas persistió hasta la década de 1820, cuando se hicieron factibles placas más grandes y podían enrollarse en forma cilíndrica con una sola costura a tope reforzada por un refuerzo ; Sans Pareil 11 de Timothy Hackworth de 1849 tenía una costura soldada longitudinal. [3] La construcción soldada para calderas de locomotoras tardó muchísimo en consolidarse.
Las calderas acuotubulares monotubulares de paso único utilizadas por Doble, Lamont y Pritchard son capaces de soportar una presión considerable y liberarla sin peligro de explosión.
La fuente de calor de una caldera es la combustión de cualquiera de varios combustibles, como madera , carbón , petróleo o gas natural . La fisión nuclear también se utiliza como fuente de calor para generar vapor. Los generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG) utilizan el calor rechazado de otros procesos, como las turbinas de gas .
Para crear características óptimas de combustión del fuego , es necesario suministrar aire tanto a través de la parrilla como por encima del fuego. La mayoría de las calderas ahora dependen de equipos de tiro mecánico en lugar de 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 efectivo y, por lo tanto, hacen que los equipos de tiro mecánico sean mucho más económicos. Existen tres tipos de tiro mecánico:
La siguiente etapa del proceso es hervir agua y generar vapor. El objetivo es hacer que el calor fluya lo más completamente posible desde la fuente de calor al agua. El agua está confinada en un espacio restringido calentado por el fuego. El vapor producido tiene menor densidad que el agua y por tanto se acumulará en el nivel más alto del recipiente; su temperatura permanecerá en el punto de ebullición y solo aumentará a medida que aumente la presión. El vapor en este estado (en equilibrio con el agua líquida que se evapora dentro de la caldera) se denomina " vapor saturado ". Por ejemplo, el vapor saturado a presión atmosférica hierve a 100 °C (212 °F). El vapor saturado extraído de la caldera puede contener gotas de agua arrastradas; sin embargo, una caldera bien diseñada suministrará vapor saturado prácticamente "seco", con muy poca agua arrastrada. El calentamiento continuo del vapor saturado lo llevará a un estado "sobrecalentado", donde el vapor se calienta a una temperatura superior a la temperatura de saturación, y no puede existir agua líquida en esta condición. La mayoría de las máquinas de vapor alternativas del siglo XIX utilizaban vapor saturado; sin embargo, las centrales eléctricas de vapor modernas utilizan universalmente vapor sobrecalentado , lo que permite una mayor eficiencia del ciclo de vapor .
LD Porta da la siguiente ecuación que determina la eficiencia de una locomotora de vapor , aplicable a máquinas de vapor de todo tipo: potencia (kW) = producción de vapor (kg h −1 )/consumo específico de vapor (kg/kW h).
Se puede generar una mayor cantidad de vapor a partir de una determinada cantidad de agua sobrecalentándola. Como el fuego arde a una temperatura mucho más alta que el vapor saturado que produce, se puede transferir mucho más calor al vapor una vez formado sobrecalentándolo y convirtiendo las gotas de agua suspendidas en él en más vapor y reduciendo en gran medida el consumo de agua.
El sobrecalentador funciona como las bobinas de una unidad de aire acondicionado , pero con un fin diferente. La tubería de vapor (por la que fluye vapor) se dirige a través del recorrido de los gases de combustión en el horno de la caldera. Esta área suele estar entre 1300 y 1600 °C (2372 y 2912 °F ). Algunos sobrecalentadores son de tipo radiante (absorben calor mediante radiación térmica ), otros son de tipo convección (absorben calor a través de un fluido, es decir, gas) y algunos son una combinación de ambos. Entonces, ya sea por convección o radiación, el calor extremo en la ruta de los gases de combustión/caldera de la caldera también calentará la tubería de vapor del sobrecalentador y también el vapor que se encuentra dentro. Mientras que la temperatura del vapor en el sobrecalentador aumenta, la presión del vapor no lo hace: la turbina o los pistones móviles ofrecen un "espacio en continua expansión" y la presión sigue siendo la misma que la de la caldera. [4] El proceso de sobrecalentamiento del vapor está diseñado principalmente para eliminar todas las gotas arrastradas en el vapor para evitar daños a las palas de la turbina y/o a las tuberías asociadas. El sobrecalentamiento del vapor expande el volumen de vapor, lo que permite que una cantidad determinada (en peso) de vapor genere más energía.
Cuando se elimina la totalidad de las gotas, se dice que el vapor está en estado sobrecalentado.
En una caldera de locomotora pirotubular Stephensoniana, esto implica dirigir el vapor saturado a través de tuberías de pequeño diámetro suspendidas dentro de tubos pirotubulares de gran diámetro, poniéndolos en contacto con los gases calientes que salen de la cámara de combustión; el vapor saturado fluye hacia atrás desde el cabezal húmedo hacia la cámara de combustión y luego regresa nuevamente al cabezal seco. El sobrecalentamiento no empezó a adoptarse de forma generalizada en las locomotoras hasta el año 1900 debido a problemas de sobrecalentamiento y lubricación de las piezas móviles de los cilindros y cámaras de vapor . Muchas calderas pirotubulares calientan el agua hasta que hierve, y luego el vapor se utiliza a la temperatura de saturación, es decir, la temperatura del punto de ebullición del agua a una presión determinada (vapor saturado); este contiene todavía una gran proporción de agua en suspensión. El vapor saturado puede y ha sido utilizado directamente por un motor, pero como el agua suspendida no puede expandirse y realizar trabajo y el trabajo implica una caída de temperatura, gran parte del fluido de trabajo se desperdicia junto con el combustible gastado para producirlo.
Otra forma de producir vapor rápidamente es introducir agua a presión en un tubo o tubos rodeados por los gases de combustión. El primer ejemplo de esto fue desarrollado por Goldsworthy Gurney a finales de la década de 1820 para su uso en vagones de vapor. Esta caldera era ultracompacta y liviana y desde entonces esta disposición se ha convertido en la norma para aplicaciones marinas y estacionarias. Los tubos suelen tener una gran cantidad de curvaturas y, a veces, aletas para maximizar la superficie. Este tipo de caldera generalmente se prefiere en aplicaciones de alta presión, ya que el agua/vapor a alta presión está contenido dentro de tuberías estrechas que pueden contener la presión con una pared más delgada. Sin embargo, puede ser susceptible a daños por vibraciones en aparatos de transporte de superficie. En una caldera seccional de hierro fundido , a veces llamada "caldera de chuleta de cerdo", el agua está contenida dentro de secciones de hierro fundido. Estas secciones se ensamblan mecánicamente en sitio para crear la caldera terminada.
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 funciona a una presión tan alta (más de 3200 psi o 22,06 MPa ) que deja de producirse la ebullición real, la caldera no tiene separación de agua líquida y vapor. No se generan burbujas de vapor dentro del agua, porque la presión está por encima de la presión crítica a la que se pueden formar burbujas de vapor. Pasa por debajo del punto crítico ya que trabaja en una turbina de alta presión y entra al condensador del generador . 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 ninguna "ebullición".
El agua de alimentación de las calderas debe ser lo más pura posible con un mínimo de sólidos suspendidos e impurezas disueltas que causan corrosión , formación de espuma y arrastre de agua . Las opciones más comunes para la desmineralización del agua de alimentación de calderas son la ósmosis inversa (RO) y el intercambio iónico (IX). [6]
Cuando el agua se convierte en vapor, su volumen se expande 1.600 veces y viaja por las tuberías de vapor a más de 25 m/s. Debido a esto, el vapor es una buena manera de 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 un funcionamiento poco confiable. En el peor de los casos, puede provocar fallos catastróficos y la pérdida de vidas. Si bien pueden existir variaciones en los estándares en diferentes países, se aplican estrictas leyes, pruebas, capacitación y certificación para tratar de minimizar o prevenir tales ocurrencias. Los modos de falla incluyen:
El vagón de vapor Doble utiliza un generador de contraflujo de paso único, que consta de un tubo continuo. El fuego aquí está encima de la bobina en lugar de debajo. El agua se bombea al tubo por la parte inferior y el vapor se extrae por la parte superior. Esto significa que cada partícula de agua y vapor debe necesariamente pasar por todas las partes del generador provocando una intensa circulación que evita que se formen sedimentos o incrustaciones en el interior del tubo. El agua ingresa al fondo de este tubo a un caudal de 600 pies (183 m) por segundo con menos de dos cuartos de agua en el tubo en cualquier momento.
A medida que los gases calientes pasan entre las bobinas, se enfrían gradualmente a medida que el agua absorbe el calor. La última parte del generador con la que los gases entran en contacto sigue siendo el agua fría entrante.
El fuego se corta definitivamente cuando la presión alcanza un punto predeterminado, generalmente fijado en 750 psi (5,2 MPa), presión de agua fría; una válvula de seguridad ajustada a 544 kg (1200 lb) proporciona protección adicional. El fuego se corta automáticamente tanto por temperatura como por presión, por lo que en caso de que la caldera estuviera completamente seca sería imposible dañar el serpentín ya que el fuego se cortaría automáticamente por la temperatura. [7]
Generadores de circulación forzada similares , como las calderas Pritchard y Lamont y Velox, presentan las mismas ventajas.
Las calderas de vapor se utilizan donde se necesita vapor y vapor caliente. De ahí que las calderas de vapor se utilicen como generadores para producir electricidad en el negocio energético. También se utiliza en molinos de arroz para sancochar y secar. Además de muchos campos de aplicación diferentes en la industria, por ejemplo en sistemas de calefacción o en la producción de cemento , las calderas de vapor se utilizan en la agricultura y para la vaporización del suelo . [8]
El código preeminente para probar generadores de vapor encendidos en los EE. UU. es el código de prueba de rendimiento de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), PTC 4. Un componente relacionado es el calentador de aire regenerativo. En 2013 se publicará una revisión importante del código de prueba de rendimiento para calentadores de aire. Hay copias del borrador disponibles para su revisión. [9] [10] Las normas europeas para las pruebas de aceptación de calderas de vapor son EN 12952-15 [11] y EN 12953–11. [12] Las normas británicas BS 845-1 y BS 845-2 también siguen utilizándose en el Reino Unido. [13] [14]
Caldera cilíndrica Blakey.
Medios relacionados con las calderas de vapor en Wikimedia Commons