Funcionamiento y Componentes de Calderas Industriales

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:

  1. Zona de liberación de calor o cámara de combustión: Donde se produce la combustión del combustible.
  2. 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):

  1. Cuerpo cilíndrico
  2. Salida de vapor
  3. Toma de vapor antiespumante
  4. Válvula de seguridad
  5. Indicador de nivel
  6. Entrada de hombre (para inspección y mantenimiento)
  7. Hogar
  8. Tabiques deflectores
  9. Colectores
  10. 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

  1. Clase de combustible a utilizar.
  2. Generación máxima de vapor y límites de carga de la caldera.
  3. Presión de funcionamiento y temperatura total deseada.
  4. Grado deseable de recuperación térmica.
  5. 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.

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