Definición y Función de las Calderas Industriales
Una caldera es un recipiente a presión cerrado diseñado para calentar un fluido (generalmente agua). El calor se aplica directamente, ya sea por la combustión de un combustible (sólido, líquido o gaseoso), o mediante energía nuclear o eléctrica. El fluido caliente se utiliza luego fuera de la caldera para diversas aplicaciones.
Objetivos Principales
- Generar agua caliente para calefacción y uso general.
- Generar vapor para plantas de fuerza, procesos industriales o calefacción.
Funcionamiento General de una Caldera
En toda caldera, se distinguen dos zonas fundamentales:
- Zona de liberación de calor o cámara de combustión: Donde se produce la combustión del combustible.
- Zona de tubos: Donde el calor se transfiere al fluido.
Partes Principales de una Caldera Pirotubular
Las siguientes son partes comunes, ilustradas con un esquema simplificado (los números son referenciales y no corresponden a un diagrama específico):
- Cuerpo cilíndrico
- Salida de vapor
- Toma de vapor antiespumante
- Válvula de seguridad
- Indicador de nivel
- Entrada de hombre (para inspección y mantenimiento)
- Hogar
- Tabiques deflectores
- Colectores
- Salida hacia la chimenea
Problemas Comunes en Calderas
Los problemas más frecuentes que afectan el rendimiento y la vida útil de las calderas incluyen:
- Incrustación: Acumulación de minerales en las superficies de transferencia de calor.
- Corrosión: Deterioro de los materiales metálicos debido a reacciones químicas.
- Fragilización cáustica: Debilitamiento del metal debido a la concentración de sustancias cáusticas.
- Formación de lodos: Acumulación de sólidos en suspensión.
- Oxidación: Reacción del metal con el oxígeno, acelerada por altas temperaturas.
- Alta presión en el cabezal: Puede indicar problemas de circulación o diseño.
- Arrastre o vómito: Salida de agua junto con el vapor.
- Mala transferencia de calor: Reducción de la eficiencia debido a incrustaciones, corrosión, etc.
- Formación de espuma: Generación de espuma en la superficie del agua, que puede causar arrastre.
Componentes Internos: Domo de Vapor
El domo de vapor es una parte crucial de muchas calderas. Sus componentes típicos incluyen:
- (a) Distribuidor de agua de alimentación
- (b) Separadores sincrónicos
- (c) Depuradores primarios
- (d) Depuradores secundarios
- (e) Salida de vapor saturado
- (f) Inyección de químicos (para tratamiento de agua) y purga continua
Calderas Pirotubulares: Características y Aplicaciones
Las calderas pirotubulares son aquellas en las que los gases calientes de la combustión fluyen por el interior de los tubos, mientras que el agua a evaporar se encuentra rodeando los tubos. Son comunes para flujos de hasta 20,000 kg/hora de vapor y presiones de hasta 20 bar.
El Hogar de la Caldera: Diseño y Funcionamiento
El hogar es la cámara donde se lleva a cabo la combustión. Sus características clave son:
- Confina los productos de la combustión.
- Resiste altas temperaturas y presiones.
- Sus dimensiones y geometría se adaptan a:
- La velocidad de liberación de calor.
- El tipo de combustible.
- El método de combustión.
- Busca una combustión completa.
- Proporciona un medio para eliminar la ceniza.
Criterios para el Diseño del Hogar
- Clase de combustible a utilizar.
- Generación máxima de vapor y límites de carga de la caldera.
- Presión de funcionamiento y temperatura total deseada.
- Grado deseable de recuperación térmica.
- Tipo de hogar.
Tipos de Construcción del Hogar
- De refractario macizo: Usados en calderas pequeñas de baja producción.
- De refractario colgante o sostenido: Compuestos por hormigón armado y ladrillos refractarios.
- De camisas de agua: Tubos adosados a una pared de refractario.
- Hogar mecánico o automático: Combinación de parrillas y un alimentador de combustible mecánico. Se adapta a:
- Tamaño de la caldera.
- Fluctuaciones de la carga.
- Tiro disponible.
- Calidad del combustible.
- Limitaciones de espacio.
Hogares Especiales
- Hogar Ciclón: El aire y el carbón pulverizado se introducen tangencialmente, creando una rotación y mezcla intensa. El carbón se quema en una capa de escoria fundida.
- Hogar tipo polvo de carbón: Común en grandes calderas. Utiliza paredes de tubos para enfriamiento y alta eficiencia. Puede ser de fondo seco o húmedo (para altas presiones y potencias).
Combustión y Requerimientos de Oxígeno
La insuficiencia de oxígeno en la combustión es un problema común. Factores que influyen:
- Granulometría del combustible (si es sólido).
- Grado de atomización del combustible (si es líquido).
- Turbulencia en la cámara de combustión.
La combustión con aire atmosférico implica la siguiente composición aproximada (en volumen):
- N2: 78.09%
- O2: 20.95%
- Ar: 0.93%
- Otros: 0.03%
La reacción estequiométrica simplificada para la combustión completa de carbono con aire es:
C + (O2 + 3.76 N2) → CO2 + 3.76 N2
Esto implica que, teóricamente, se necesitan aproximadamente 11.5 kg de aire por cada kg de carbono para una combustión completa.