Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido en un gas que circula a través de ella. En ambos casos, el calor aportado se transmite a un fluido, que se vaporiza o no, y se transporta a un consumidor, en el que se cede esa energía. Se prescindirá de las calderas eléctricas, en las que la energía se aporta mediante medios eléctricos, debido a su baja incidencia actual en instalaciones de tipo industrial. Para facilitar la identificación de los diferentes tipos de calderas, se procederá a clasificarlas por sus características más peculiares.

Clasificación de las calderas por su aplicación

Teniendo en cuenta su aplicación, las calderas se clasifican en los siguientes grupos esenciales:

Para usos domésticos

Para generación de energía en plantas termoeléctricas

Para plantas de cogeneración

Para aplicaciones marinas en barcos

Para generación de energía en plantas terrestres

Sus características particulares en cada uno de estos grupos, son las siguientes:

Calderas para usos domésticos: Se utilizan para la calefacción doméstica, bien individual, o comunitaria de pequeño tamaño. Son de pequeñas potencias, y no se consideran dentro de la presente descripción.

Calderas de generación de energía para plantas termoeléctricas: Se utilizan para la generación de vapor sobrecalentado a altas presiones, como fluido motriz de grupos turboalternadores, para generar energía eléctrica. Son de grandes potencias, y tampoco se van a considerar dentro del objetivo de la presente descripción.

Calderas para plantas de cogeneración: Utilizan los gases calientes del escape de turbinas de gas, o de motores de explosión para que, circulando a través de ellas, cedan su calor para generar un fluido térmico que se transporta hasta un consumidor, donde cede su energía, que como el caso anterior puede ser vapor sobrecalentado. Son calderas llamadas de recuperación, generalmente de grandes potencias.

Calderas para aplicaciones marinas en barcos: Se instalan en los barcos como generadores de su vapor motriz. La presente descripción se ocupa solo de las calderas terrestres, pero, es evidente, que, las calderas marinas no difieren sensiblemente de las terrestres, si bien, se instalan hoy día en barcos en muy pocas ocasiones.

Calderas para generación de energía en plantas industriales: Generan energía para consumo interior propio de una fábrica. Su instalación es estática y evidentemente terrestre y sus aplicaciones específicas son, fundamentalmente, las siguientes: Generación de vapor, para

aplicaciones directas en procesos de producción. (Fig. 1). En algunas aplicaciones puntuales, el vapor generado a alta presión es sobrecalentado y primeramente se le utiliza para producir energía eléctrica propia accionando un grupo turboalternador y utilizando el vapor de contrapresión a su salida para las aplicaciones directas en los procesos de producción. (Fig. 2). Generación de agua sobrecalentada para calefacción industrial de sus propias naves y para aplicaciones directas en procesos de producción (Fig. 3).

Imagen 1. Principio de funcionamiento de una central de generación de vapor saturado.

Imagen 2. Esquema de funcionamiento de una central de generación de energía eléctrica con vapor a contrapresión para el proceso.

Imagen 3. Esquema de principio de una central de generación de agua sobrecalentada.

Clasificación de las calderas por su diseño

Teniendo en cuenta el diseño, las calderas para generación en plantas industriales, se clasifican en dos grandes grupos:

Pirotubulares, o de tubos de humos.

Acuotubulares, o de tubos de agua.

CALDERAS PIROTUBULARES, O DE TUBOS DE HUMO.

Se caracterizan porque la llama de la combustión se forma dentro de cada hogar cilíndrico de la caldera, pasando los humos generados por el interior de los tubos de los pasos siguientes (normalmente dos), para ser conducidos a la chimenea de evacuación. De ello, su otro nombre de calderas de tubos de humo. En estas calderas, tanto los hogares, como los tubos de humo, están en el interior de la virola, y completamente rodeados de agua. De ello, su otro nombre, poco usual, de calderas de hogar interior. Para generar vapor, se regula el nivel medio del agua en su interior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo su cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida. Para generar agua sobrecalentada, la caldera está completamente inundada, siendo iguales los conductos de entrada y salida de agua. Las calderas para generar fluido térmico, son similares a las de generación de agua sobrecalentada, pero más simples en su construcción. Tienen escasa demanda, por lo que se excluyen de la presente descripción. Para la selección de compra de las calderas pirotubulares, se deberá tener en cuenta el estricto cumplimiento de las siguientes características esenciales:

–Que los hogares interiores, en los que se forma la llama sean ondulados en toda su longitud. Esta ondulación refuerza de manera importante estos tubos de hogar, y permite su imprescindible dilatación, que es diferente que la del resto de la caldera (Fig. 5).

–Que tenga tres pasos de humos, el primero a través de los hogares, y los restantes a través de los tubos de humo (Fig. 5).Las calderas que se fabrican con dos pasos, el del hogar y, solamente uno, a través de los tubos de humo, tienen el rendimiento más bajo, y envejecen más rápido por estar sometidas a una mayor carga térmica.

–Que tengan dos hogares (un quemador en cada hogar) a partir de una determinada potencia, normalmente, de 20t/h de vapor en adelante, para no producir cargas térmicas elevadas, que originen un envejecimiento prematuro de la caldera (Fig. 5)

–Que no tengan cierres de estanqueidad de gran tamaño en la cámara de agua, ya que provocan frecuentes fugas, difíciles de reparar, y de mantenimiento muy complicado.

Se caracterizan porque la llama de los quemadores se forma dentro de un recinto formado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamada cámara de combustión, pasando los humos generados por el interior de los pasos siguientes, cuyos sucesivos recintos están también formados por paredes tubulares en su mayoría. La cualidad que diferencia a estas calderas es, que todos los tubos que integran su cuerpo, están llenos de agua o, al menos, llenos de mezcla agua-vapor en los tubos hervidores, en los que se transforma parte de agua en vapor cuando generan vapor como fluido final de consumo. Estas calderas pueden generar indistintamente, vapor, o agua sobrecalentada.

En las calderas acuotubulares la circulación del agua por su interior es forzada por medio de las bombas de circulación. En las calderas de generación de vapor se regula el nivel medio de agua en el calderín superior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo la cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida. (Fig. 7)Para la selección de compra de estas calderas acuatubulares, se deberá tener en cuenta el estricto cumplimiento de las siguientes características esenciales:

–Que el cuerpo externo y los recintos interiores, salvo en sus caminos de circulación de los humos, sean completamente estancos, para que la combustión se efectúe a sobrepresión (presurizada). –Que el cuerpo sea completamente auto portante, es decir, que no se precisen estructuras adicionales para la estabilidad del cuerpo de caldera.

ÚLTIMOS AVANCES TECNOLÓGICOS EN LAS CALDERAS

En el campo tecnológico del diseño mecánico de las calderas que se están tratando, no cabe mencionar avances que puedan considerarse importantes. Es un equipo sobradamente experimentado en sus aspectos esenciales, como son:

Materiales

Circulación interna de fluidos

Equipamientos auxiliares Donde hay sensibles diferencias en el producto final, es en la calidad de la ejecución, cuya banda de aplicación varía sensiblemente entre cubrir estrictamente los mínimos exigidos por las normas y reglamentos, o marcarse como objetivo la fabricación de un producto que esté bien construido, sea fiable y, por añadidura, duradero. Una caldera construida con estas últimas premisas podrá mantenerse en servicio fácilmente más de 25 años. Otra, diseñada con los anteriores mínimos de calidad, durará escasamente ocho o diez años, a costa de un mantenimiento penoso para el usuario y un sin fin de averías continuas.

Es aconsejable para los futuros usuarios de calderas que tengan muy en cuenta que un ahorro en la inversión de compra inicial, representará en la inmensa mayoría de los casos un gasto posterior, muy superior, en reparaciones y amortizaciones .El campo en el que se han producido avances tecnológicos importantes es en los sistemas de tele gestión, con utilización de apoyos informáticos, para la regulación y optimización del funcionamiento de las calderas.

La tele gestión, aplicada a las salas de calderas, se puede definir como el modo de aprovechar y desarrollarla posibilidad de adquirir información, transmitirla y tratarla con toda la rapidez, fiabilidad e inteligencia necesarias. Estas funciones se pueden clasificar en tres fases:

Adquisición de datos

Transmisión de las informaciones

Tratamiento de la información

EQUIPOS AUXILIARES

Introducción

Son aquellos que complementan las calderas permitiendo su correcto funcionamiento. Normalmente se instalan en una zona próxima a las calderas y, con frecuencia, dentro de una sala que se denomina central térmica o sala de calderas.

Equipos de combustión

Sistema de alimentación de agua

Recuperadores del calor de los humos

No pudo ser sino Inglaterra, corazón industrial del mundo a finales del siglo XVII y comienzos del XVIII, la cuna de uno de los inventos más portentosos del hombre en cuanto a la obtención de energía: la caldera a vapor. El invento, tal vez rudimentario al comienzo, fue logrando avances en la medida que diferentes hombres de gran ingenio incorporaron nuevas ideas para ir haciéndolas cada vez más eficientes y seguras.

Así, pues, mientras el mundo, más allá de la pujanza industrializadora de los ingleses, demandaba recursos energéticos para su desarrollo, la caldera fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para cada proceso productivo.

La de la caldera ha sido una historia larga y de constantes avances tecnológicos. Este artículo habla de los pasos más importantes a partir de la fabricación de las primeras calderas pirotubulares.

Desde sus Comienzos

El principio de funcionamiento de las calderas pirotubulares consiste en el traspaso de calor desde el interior de los tubos hacia el agua de la caldera que los circunda. En las calderas pirotubulares existen numerosas combinaciones para la configuración de los tubos, determinadas por el número de “pasos” que el calor generado en el hogar o cámara de combustión atraviesa antes ser liberado al ambiente.

Es importante tener en cuenta el dimensionamiento de la cámara de combustión, puesto que de ello dependen las temperaturas de entrada de gases al primer paso de tubos. El exceso de temperatura ocasionará sobrecalentamiento del metal y grietas en la placa trasera de tubos.

Con el paso de los años se han mejorado y optimizado los diseños, disminuyendo así su tamaño y aumentando considerablemente su eficiencia.

Calderas Tipo Lancashire

Las calderas tipo Lancashire fueron desarrolladas en 1844 por Sir William Fairbairn, a partir de lo que se conocía como caldera “Cornich” de un fogón o caldera “Trevithick's”. Aún en estos días se puede ver algunas de estas calderas en pleno funcionamiento.

Su estructura está compuesta por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 m. de largo, a través del cual pasan 2 tubos de gran diámetro llamados fogones. Parte de cada fogón era corrugado de manera de absorber la expansión de la caldera cuando se calentaba y para prevenir su colapso debido a la presión externa. Se instalaba una cámara de combustión a la entrada de cada fogón en lo que corresponde al frente de la caldera. La cámara de combustión podía ser diseñada para quemar gas, petróleo o carbón.

Los combustibles calientes pasan de la cámara de combustión a los fogones. Estos fogones se encuentran rodeados por agua en su exterior y el calor que se genera en la cámara de combustión es transferido al agua.

La caldera era instalada en una fundación de ladrillo llamada “setting” o montura, la que fue diseñada con el propósito de mejorar la eficiencia térmica del equipo. Después de pasar por los fogones, los gases calientes son derivados bajo la caldera por un conducto de ladrillo, incluido en el “setting”, transfiriendo el calor al agua por la parte inferior del manto.

En el frente de la caldera el flujo de gases calientes era dividido en dos corrientes que pasaban hacia el fondo del equipo por los costados. Esto se conseguía mediante 2 conductos en los lados de la caldera, que formaban parte del Setting de ella. Estos 2 ductos se encuentran en el fondo de la caldera para dar paso a la chimenea.

Estos pasos, en la caldera tipo Lancashire, fueron concebidos en un intento por extraer la máxima cantidad de energía de los productos de combustión calientes, los que en diseños anteriores se liberaban a la atmósfera. Normalmente la corriente de gases pasaba por un economizador antes de entrar a la chimenea, el que calentaba el agua de la caldera mejorando su eficiencia térmica.

Durante mucho tiempo se fabricaron calderas de distintos tamaños. No obstante, la más pequeña de ellas medía aproximadamente 5,5 m. de largo por 2 m. de diámetro. La más grande era de aproximadamente 10 m. de largo por 3 m. de diámetro. La producción de vapor variaba desde 1.500 kg/h hasta aproximadamente 6.500 kg/h. Las calderas Lancashire podían trabajar a presiones de hasta 17 Barg.

Contenían un gran volumen de agua, lo que se traducía en una gran capacidad de almacenamiento de energía, con lo que podían responder fácilmente a demandas repentinas de vapor. El gran volumen de agua contenida significaba también que el control del nivel y de la calidad del agua no era tan crítico como en las calderas modernas.

Una de las desventajas de este tipo de calderas era que después de repetidos calentamientos y enfriamientos, las expansiones y contracciones se traducían en deterioro del la mampostería (setting). Esto generaba infiltraciones de aire parásito, que desequilibraba el tiro de la caldera, a la vez que disminuía su eficiencia.

La introducción de las calderas pirotubulares multitubos significó la eventual muerte de las calderas tipo Lancashire, pues éstas eran más pequeñas y más eficientes.

Calderas Tipo Cochran

Fue la invención de Edward Comnton la que se transformaría en la famosa caldera Cochran. La principal novedad fue la introducción de tubos horizontales en un manto cilíndrico vertical por medio de placas tubulares bridadas. El diseño fue exhibido por primera vez en la exposición Real de Agricultura, en Bristol, el año 1878. El hecho que la caldera fuera vertical, se traducía en un pequeño tamaño con la eficiencia de las calderas tubulares. La caja de humo era parte de la caldera, con la chimenea apernada a un lado.

Las calderas Cochran rápidamente ganaron reputación gracias a su gran confiabilidad, flexibilidad y gran calidad de fabricación. De hecho, muy pocos barcos a vapor en circulación en los inicios del siglo veinte no tenían calderas Cochran como caldera auxiliar a la caldera principal.

Caldera Económica

Este diseño correspondió a una mejora de la Caldera Lancashire. Estaba constituida por un manto cilíndrico exterior, el que contaba en su interior con 2 fogones o tubos de gran diámetro donde se instalaban las cámaras de combustión.

Los productos de combustión calientes dejaban los fogones por el fondo de la caldera entrando a una de ladrillos refractarios (fondo seco), donde los productos de combustión eran derivados hacia una gran cantidad de tubos de pequeño diámetro instalados por sobre los fogones.

Estos tubos constituían una gran superficie de transferencia de calor. Los productos de combustión dejaban la caldera por el frente y a través de un ventilador de tiro inducido, para pasar luego a la chimenea.

La caldera económica de 2 pasos tenía la mitad del tamaño de una caldera tipo Lancashire y disponía de una eficiencia térmica varios puntos más alta. El rango de tamaño de las calderas Económicas era de aproximadamente 3 m. de largo y 1,7 m. de diámetro hasta aproximadamente 7 m. de largo y 4 m. de diámetro. La producción de vapor iba desde 1.000 kg/h hasta aproximadamente 15.000 kg/h.

Lo Tubos “Sinuflo”

Hasta la invención y la patente de los famosos tubos Sinuflo, por Percy St. G. Kirke, las calderas de combustión de gas eran muy ineficientes. Tomando su nombre de su forma sinusoidal, el tubo sinuflo lo cambió todo, permitiendo que el gas caliente transfiriera en todo el largo del tubo la mayor parte del calor hacia el agua.

En 1934 las calderas Cochran alcanzaron un acuerdo con Kirke y lanzaron una línea de calderas horizontales recuperadoras de calor. Fueron muy exitosas, ideales para generar vapor a partir de gases calientes residuales provenientes de los procesos de las industrias del gas y del acero.

La sobresaliente eficiencia térmica de los tubos Sinuflo, significó que más tarde fueran incorporados por todos los fabricantes de calderas en el mundo. La Caldera Económica de Cochran lanzada al mercado en 1940, incluía un ventilador de tiro inducido, una gran cámara de combustión y un excepcionalmente fácil acceso a su interior, marcando un hito en el diseño de calderas.

Las Calderas Cochran Serie II

Para satisfacer la demanda de eficiencias más altas, equipos más compactos, automatización de la operación, requeridos durante las tareas de reconstrucción durante la post guerra en Inglaterra -tanto del Gobierno como de la industria- fue vital enfatizar los esfuerzos en las áreas de investigación y desarrollo. Como resultado de este esfuerzo, en 1959 se lanzaron al mercado las calderas verticales Cochran Serie II, diseñadas, especialmente, de acuerdo a los mencionados criterios.

Este diseño alcanzaba eficiencias térmicas de más de 80% (PCS) y una gran producción de vapor para su tamaño. Su operación podía ser completamente automática, operando tanto con combustibles líquidos como sólidos. La mayoría de ellas fue construida mediante uniones soldadas, método estándar a partir de 1960.

Calderas Paquete

El concepto de la “Caldera Paquete” data desde 1950, y corresponde a una caldera completa con todos sus accesorios, quemador para la combustión de petróleo o gas, bombas de agua, controles automáticos todos montados como una unidad en una base compacta para transporte, ensamblada en fábrica.

La mejora en los materiales y en los procesos de fabricación se tradujo en que se podían instalar más tubos en cada unidad.

En los primeros años de desarrollo de las calderas, éstas eran equipos largos y requerían grandes superficies para su instalación.

Forzando los gases a cambiar de dirección para hacerlos pasar por tubos, se consiguió acortar las calderas, mejorando notablemente las tasas de transferencia de calor. La caldera paquete multitubular moderna es el estado actual de este proceso evolutivo.

Estas calderas se clasifican de acuerdo al número de pasos; es decir, de acuerdo al número de veces que los productos de combustión calientes pasan a través de la caldera. El diseño más común corresponde a las calderas de tres pasos, siendo el primero de ellos la cámara de combustión y los dos siguientes los pasos a través de los tubos.

Calderas de Llama Reversa

Este diseño es una variación del diseño convencional de calderas. La cámara de combustión tiene la forma de un dedal; el quemador está instalado en su extremo abierto normalmente por debajo del centro. La llama retorna sobre sí misma dentro de la cámara de combustión para volver hacia el frente de la caldera. Los tubos de humo rodean el dedal y permiten el paso de los productos de combustión calientes a la parte trasera de la caldera y a la chimenea.