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 funcionaban a presiones bajas o medias (7–2000 kPa o 1–290 psi ), pero, a presiones superiores a éstas, es más habitual hablar de generador de vapor .
Una caldera o generador de vapor se utiliza siempre que se requiere una fuente de vapor. La forma y el tamaño dependen de la aplicación: las máquinas de vapor móviles, como las locomotoras de vapor , las máquinas portátiles y los vehículos de carretera propulsados 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 independiente más grande conectada al punto de uso mediante tuberías. Una excepción notable es la locomotora sin fuego propulsada por vapor , en la que 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 un motor primario . Sin embargo, debe tratarse por separado, ya que hasta cierto punto una variedad de tipos de generadores se pueden combinar con una variedad de unidades de motor. Una caldera incorpora una caja de fuego 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 bien puede sobrecalentarse aún más a una temperatura más alta; esto reduce notablemente el contenido de agua en suspensión, lo que hace que un volumen dado de vapor produzca más trabajo y crea un mayor gradiente de temperatura, lo que ayuda a reducir el potencial de formación de condensación . Cualquier calor restante en los gases de combustión puede luego evacuarse o hacerse pasar a través de un economizador , cuya función es calentar el agua de alimentación antes de que llegue a la caldera.
En el primer motor Newcomen de 1712, la caldera era poco más que una gran marmita de cervecero instalada debajo del cilindro de potencia. Como la potencia del motor se derivaba del vacío producido por la condensación del vapor, se necesitaban grandes volúmenes de vapor a una presión muy baja, apenas superior a 1 psi (6,9 kPa ). Toda la caldera estaba construida sobre ladrillos que retenían algo de calor. Se encendía un voluminoso fuego de carbón en una rejilla debajo de la bandeja ligeramente cóncava, lo que proporcionaba una superficie de calentamiento muy pequeña; por lo tanto, se desperdiciaba mucho calor por la chimenea . En modelos posteriores, en particular los de John Smeaton , la superficie de calentamiento se aumentó considerablemente haciendo que los gases calentaran los lados de la caldera, pasando a través de un conducto de humos . Smeaton alargó aún más el camino de los gases mediante un conducto de humos en forma de laberinto en espiral debajo de la caldera. Estas calderas de combustión inferior se utilizaron en diversas formas a lo largo del siglo XVIII. Algunas eran de sección redonda (gallineta). En torno a 1775, Boulton y Watt desarrollaron una versión más larga de planta rectangular (caldera de vagón). Se trata de lo que hoy se conoce como caldera de tres pasos: el fuego calienta la parte inferior y los gases pasan a través de un conducto tubular central de sección cuadrada y, finalmente, por los laterales de la caldera.
Un temprano defensor 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 acertadamente que la forma cilíndrica era la mejor desde el punto de vista de la resistencia mecánica y hacia fines del siglo XVIII comenzó a incorporarla en sus proyectos. [ cita requerida ] Probablemente inspirado por los escritos sobre el esquema del motor de "alta presión" de Leupold que aparecieron en obras enciclopédicas de 1725, Evans favoreció el "vapor fuerte", es decir, los motores sin condensación en los que la presión del vapor solo impulsaba el pistón y luego se agotaba a la atmósfera. La ventaja del vapor fuerte, tal como lo veía él, era que se podía hacer más trabajo con volúmenes más pequeños de vapor; esto permitía reducir el tamaño de todos los componentes y los motores podían adaptarse al transporte y a pequeñas instalaciones. Para ello, desarrolló una caldera horizontal cilíndrica larga de hierro forjado en la que se incorporó un solo tubo de fuego, en un extremo del cual se colocó la rejilla de fuego . El flujo de gas se invirtió entonces en un pasaje o conducto de humos debajo del barril de la caldera, luego se dividió para regresar a través de conductos laterales para unirse nuevamente en la chimenea (caldera de motor colombino). Evans incorporó su caldera cilíndrica en varios motores, tanto estacionarios como móviles. Debido a consideraciones de espacio y peso, estos últimos eran de un solo paso que expulsaban directamente del tubo de fuego a la chimenea. Otro defensor del "vapor fuerte" en ese momento fue el hombre de Cornualles, Richard Trevithick . Sus calderas funcionaban a 40-50 psi (276-345 kPa) y primero tenían forma hemisférica y luego cilíndrica. A partir de 1804, Trevithick produjo una pequeña caldera de dos pasos o conducto de retorno para motores semiportátiles y locomotoras. La caldera de Cornualles, desarrollada alrededor de 1812 por Richard Trevithick, era más fuerte y eficiente que las calderas simples que la precedieron. Consistía en un tanque de agua cilíndrico de unos 8,2 m de largo y 2,1 m de diámetro, y tenía una rejilla para el fuego de carbón colocada en un extremo de un solo tubo cilíndrico de unos 90 cm de ancho que pasaba longitudinalmente por el interior del tanque. El fuego se alimentaba desde un extremo y los gases calientes del mismo viajaban a lo largo del tubo y salían por el otro extremo, para circular de nuevo por conductos que discurrían por el exterior y luego una tercera vez por debajo del cuerpo de la caldera antes de ser expulsados a una chimenea. Esta caldera fue mejorada posteriormente por otra caldera de tres pasos, la caldera de Lancashire, que tenía un par de hornos en tubos separados uno al lado del otro. Esta fue una mejora importante ya que cada horno podía ser alimentado en diferentes momentos, lo que permitía limpiar uno mientras el otro estaba en funcionamiento.
Las calderas de las locomotoras de ferrocarril eran generalmente del tipo de un solo paso, aunque en los primeros tiempos, las calderas de "conducto de retorno" de dos pasos eran comunes, especialmente en las locomotoras construidas por Timothy Hackworth .
En 1828, en Francia se produjo un avance significativo cuando Marc Seguin ideó una caldera de dos pasos, en la que el 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 las pruebas 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 caja de fuego rodeada de espacios de agua y un cilindro de caldera que constaba de 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 cilindro y mejoraba enormemente la transferencia de calor . El viejo George comunicó inmediatamente el esquema a su hijo Robert y esta fue la caldera utilizada en la Rocket de Stephenson , ganadora absoluta de la prueba. El diseño formó la base para todas las locomotoras posteriores construidas por Stephensonian, siendo inmediatamente adoptado por otros constructores; este modelo de caldera pirotubular se ha construido desde entonces.
La caldera de 1712 se ensamblaba a partir de placas de cobre remachadas con una parte superior abovedada hecha 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 las presiones de alrededor de 50 psi (344,7 kPa ) no eran absolutamente seguras, ni tampoco lo era la caldera hemisférica de hierro fundido utilizada inicialmente por Richard Trevithick. Esta construcción con placas pequeñas persistió hasta la década de 1820, cuando las placas más grandes se volvieron factibles y se podían laminar en una forma cilíndrica con solo una costura unida a tope reforzada por un refuerzo ; el Sans Pareil 11 de Timothy Hackworth de 1849 tenía una costura soldada longitudinal. [3] La construcción soldada para calderas de locomotoras tardó extremadamente en afianzarse.
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 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 rejilla como por encima del fuego. La mayoría de las calderas dependen ahora 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 conseguir un tiro efectivo y, por lo tanto, hacen que los equipos de tiro mecánico sean mucho más económicos. Hay tres tipos de tiro mecánico:
La siguiente etapa del proceso es hervir el agua y producir vapor. El objetivo es hacer que el calor fluya lo más completamente posible desde la fuente de calor hasta el agua. El agua está confinada en un espacio restringido calentado por el fuego. El vapor producido tiene una densidad menor que el agua y, por lo tanto, se acumulará en el nivel más alto del recipiente; su temperatura permanecerá en el punto de ebullición y solo aumentará a medida que aumenta la presión. El vapor en este estado (en equilibrio con el agua líquida que se está evaporando 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 gotitas de agua arrastradas, sin embargo, una caldera bien diseñada proporcionará vapor saturado prácticamente "seco", con muy poca agua arrastrada. El calentamiento continuo del vapor saturado llevará al vapor 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 plantas de energía a vapor modernas utilizan universalmente vapor sobrecalentado que permite una mayor eficiencia del ciclo de vapor .
LD Porta da la siguiente ecuación que determina el rendimiento 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 cantidad dada de agua si se la sobrecalienta. 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 al sobrecalentarlo y convertir las gotas de agua suspendidas en él en más vapor, lo que reduce en gran medida el consumo de agua.
El sobrecalentador funciona como las bobinas de un aparato de aire acondicionado , pero con un fin diferente. La tubería de vapor (por la que fluye vapor) se dirige a través de la ruta de los gases de combustión en el horno de la caldera. Esta zona suele estar entre 1300 y 1600 °C (2372 y 2912 °F ). Algunos sobrecalentadores son de tipo radiante (absorben calor por radiación térmica ), otros son de tipo convección (absorben calor a través de un fluido, es decir, un gas) y algunos son una combinación de los dos. Por tanto, ya sea por convección o radiación, el calor extremo en la ruta de los gases de combustión/horno de la caldera también calentará la tubería de vapor del sobrecalentador y el vapor que hay en su interior. Aunque la temperatura del vapor en el sobrecalentador aumenta, la presión del vapor no: 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 gotitas atrapadas en el vapor para evitar daños en las aspas de la turbina o en las tuberías asociadas. El sobrecalentamiento del vapor expande el volumen de vapor, lo que permite que una cantidad dada (en peso) de vapor genere más energía.
Cuando se elimina la totalidad de las gotitas, 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 diámetro pequeño suspendidas dentro de tubos de humo de gran diámetro que los ponen en contacto con los gases calientes que salen de la caja de fuego; el vapor saturado fluye hacia atrás desde el cabezal húmedo hacia la caja de fuego, luego hacia adelante nuevamente hacia el cabezal seco. El sobrecalentamiento solo comenzó a adoptarse de manera generalizada para locomotoras alrededor del año 1900 debido a problemas de sobrecalentamiento y lubricación de las partes móviles en los cilindros y los cofres de vapor . Muchas calderas pirotubulares calientan el agua hasta que hierve, y luego el vapor se usa a temperatura de saturación, en otras palabras, la temperatura del punto de ebullición del agua a una presión dada (vapor saturado); esto todavía contiene 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 uno o varios tubos rodeados de 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 ligera y, desde entonces, esta disposición se ha convertido en la norma para aplicaciones marinas y estacionarias. Los tubos suelen tener una gran cantidad de curvas y, a veces, aletas para maximizar el área de superficie. Este tipo de caldera se prefiere generalmente en aplicaciones de alta presión, ya que el agua o el vapor a alta presión están contenidos dentro de tuberías estrechas que pueden contener la presión con una pared más delgada. Sin embargo, puede ser susceptible a daños por vibración en los aparatos de transporte de superficie. En una caldera seccional de hierro fundido , a veces llamada "caldera de chuletas de cerdo", el agua está contenida dentro de secciones de hierro fundido. Estas secciones se ensamblan mecánicamente en el lugar para crear la caldera terminada.
Los generadores de vapor supercrítico se utilizan con frecuencia para la producción de energía eléctrica . Funcionan 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, ya que la caldera no tiene separación de agua líquida y vapor. No se generan burbujas de vapor dentro del agua, porque la presión es superior a la presión crítica a la que se pueden formar burbujas de vapor. Pasa por debajo del punto crítico mientras trabaja en una turbina de alta presión y entra en el 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 usarse para un generador de vapor de presión supercrítica, ya que en realidad no se produce "ebullición" en este dispositivo.
El agua de alimentación para 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 (OI) 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. Por ello, el vapor es una buena forma de transportar energía y calor por una planta 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 costes energéticos y puede dar lugar a vapor de mala calidad, menor eficiencia, menor vida útil de la planta y un funcionamiento poco fiable. En el peor de los casos, puede provocar fallos catastróficos y pérdida de vidas. Aunque pueden existir variaciones en los estándares en diferentes países, se aplican estrictos procedimientos legales, de prueba, formación y certificación para intentar minimizar o prevenir este tipo de incidencias. Los modos de fallo incluyen:
El vagón de vapor Doble utiliza un generador de contraflujo de tipo de paso único, que consiste en un tubo continuo. El fuego aquí está en la parte superior 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 pasar necesariamente por todas las partes del generador, lo que provoca una circulación intensa que evita que se formen sedimentos o incrustaciones en el interior del tubo. El agua entra por la parte inferior 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 van enfriando gradualmente, ya que el calor es absorbido por el agua. La última parte del generador con la que entran en contacto los gases sigue siendo el agua fría entrante.
El fuego se apaga de manera definitiva 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 1200 lb (544 kg) proporciona protección adicional. El fuego se apaga automáticamente por temperatura y presión, por lo que en caso de que la caldera estuviera completamente seca sería imposible dañar el serpentín ya que el fuego se apagaría automáticamente por la temperatura. [7]
Los 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. Por lo tanto, las calderas de vapor se utilizan como generadores para producir electricidad en la industria energética. También se utilizan en molinos de arroz para el parboiling y el secado. Además de muchas áreas de aplicación diferentes en la industria, por ejemplo, en sistemas de calefacción o para la producción de cemento , las calderas de vapor también se utilizan en la agricultura para el vaporizado de suelos . [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 la prueba 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.
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