CALDERAS.

Las calderas son recipientes a presión diseñados para calentar agua o producir vapor a una presión mayor que la atmosférica por medio del calor producido al quemar un combustible. Pueden ser usadas para suministrar vapor en una unidad industrial, para calentar espacios o para el servicio de agua caliente en edificios. En la mayoría de las aplicaciones de calentamiento en edificios comerciales la fuente de calor es un quemador que utiliza gas natural aunque también son usados quemadores de combustóleo o diésel y resistencias eléctricas. En varias instalaciones es preferible producir vapor que agua caliente, ya que funciona mejor para aplicaciones como cocinas, lavanderías, esterilizadores, refrigeración por absorción y equipo impulsado por vapor de agua.

Los recipientes a presión que forman las calderas están muy reforzados y tienen una larga vida útil. Estos equipos pueden llegar a tener eficiencias del 95% o superiores y son un método muy efectivo de calentamiento. En el caso de sistemas de vapor requieren muy poca o nula energía de bombeo, sin embargo, los costos de consumo de combustible son altos y requieren un mantenimiento regular. Si se retrasa este mantenimiento las reparaciones son costosas.

Las guías para la construcción operación y mantenimiento de calderas editadas por la ASME (American Society of Mechanical Engineers) son las siguientes:

• Código de reglas de construcción para calentadores de vapor calderas y recipientes a presión. Sección IV-2007.
• Código de reglas recomendadas para el cuidado y operación de las calderas, calentadores y recipientes a presión. Sección VII-2007

En México existen:

• NORMA Oficial Mexicana NOM-020-STPS-2011, Recipientes sujetos a presión, recipientes criogénicos y generadores de vapor o calderas - Funcionamiento - Condiciones de Seguridad.

http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=5229908&fecha=27/12/2011

• Norma Técnica de Competencia Laboral CMEC0149.01. Mantenimiento a sistemas generadores de vapor.

Las calderas, ya sean con quemadores de gas o de diésel utilizan una combustión controlada para calentar el agua. Los componentes clave en este proceso son:

1. Quemador.
2. Cámara de combustión.
3. Intercambiador de calor.
4. Controles.

El quemador mezcla el combustible y el oxígeno, y con la ayuda de un componente de ignición provoca las condiciones adecuadas para que se realice la combustión. Ésta tiene efecto en la cámara de combustión y el calor que se genera es transferido al agua a través del intercambiador de calor. Los controles regulan la ignición, la potencia del quemador, el suministro de combustible, el suministro de aire, la salida de gases, la temperatura del agua, la presión del vapor producido y la presión dentro de la caldera.

Si la caldera no es para producir vapor, el agua caliente producida es bombeada a través de una red de tuberías y se reparte por todo el edificio, ya que además de su uso como agua caliente puede ser usada en serpentines de calentamiento, unidades de manejo de aire, equipo de calentamiento y unidades térmicas.

En los sistemas de caldera que producen vapor este fluye a través de tubería desde zonas de alta presión a zonas de baja presión, sin ayuda de una fuente de energía externa como una bomba. El vapor utilizado para calentamiento es usado directamente en los equipos o pueden transferir calor a través de un intercambiador de calor, que a su vez puede suministrar agua caliente a otro equipo.

Tipos de calderas. 

Las calderas pueden ser clasificadas de varias formas, en base a su presión y temperatura de trabajo, tipo de combustible, sistema de eliminación de gases, tamaño o capacidad y si condensan o no el vapor de agua resultante en los gases de combustión. Las calderas también se clasifican según sus componentes clave, su material del intercambiador de calor o su diseño de tubos.

Los dos principales tipos de calderas son piro-tubulares (tubos de humo) y aqua-tubulares (tubos de agua). En una caldera tubo de humo los gases calientes de la combustión fluyen a través de un conjunto de tuberías, llamadas fluxes, que están rodeados de agua. En una caldera de tubos de agua el agua fluye por dentro de la tubería y los gases calientes de la combustión fluyen alrededor y por fuera de los tubos.

Caldera de tubos de humo.

El nombre de tubos de humo es bastante descriptivo, el fuego o los gases de combustión calientes desprendidos por el quemador son canalizados a través de los tubos que están rodeados por el agua que queremos calentar hasta crear una alta o media temperatura de agua caliente o vapor. Las calderas que producen agua caliente normalmente las encontramos en hoteles y para el calentamiento de espacios en edificios, mientras que las que generan vapor generalmente son más usadas para procesos industriales.

El cuerpo o carcasa de una caldera de tubos de humo es un recipiente a presión que contiene el agua que estará circulado a través de ella para calentarla o convertirla en vapor.

Configuraciones. Por cada vez que los gases de combustión viajan por un conjunto de tubos antes de dar una vuelta se considera como un paso. Por lo tanto, suponiendo que el quemador está al frente de la caldera, qué es lo usual, una caldera de tres pasos como la que vemos en la figura tendrá tres conjuntos de tubos con la salida de los gases por la chimenea localizada en la parte posterior de la caldera. Una caldera de cuatro pasos tendrá cuatro conjuntos de tubería y la chimenea se encontrará, al igual que el quemador, al frente del equipo.

Existen diferentes combinaciones de arreglos de tubería que se usan en las calderas. Los diferentes acomodos de tubería son diseñados de acuerdo con el número de pasos. Las calderas están disponibles en 1, 2, 3 y 4 pasos. Todas las calderas de multi pasos están disponibles en diseños de fondo de regreso húmedo o de regreso seco. Estos términos se refieren a si los gases de combustión  que regresan a los tubos están rodeados o no por una carcasa de agua.

En una caldera de tubos de humo el vapor se forma en el cuerpo de la caldera, lo que pone un límite de presión simplemente por la resistencia mecánica de las paredes del recipiente. La salida de vapor también está controlada porque la evaporación solamente ocurre en la superficie del agua en el recipiente lo cual es un área limitada.

Las ventajas de las calderas de tubos de humo es que son relativamente económicas, fáciles de limpiar y compactas. Es muy fácil cambiar los tubos porque corren en línea de tierra recta entre dos platos.

Las desventajas de este tipo de calderas son su poca aplicabilidad para producción de vapor a alta presión, por ejemplo arriba de 17 bares aproximadamente 250 lb/in² y más. También tienen límites físicos  en cuanto a la generación de vapor.

Caldera de tubos de agua.

En este tipo de calderas el agua circula por dentro de los tubos y el calor rodea estos tubos. El diámetro de los tubos es mucho menor que para calderas de tubos de humo y pueden tolerar mayores presiones con el mismo estrés aplicado a los materiales.

La diferencia fundamental entre las calderas de tubo de agua y las calderas de tubos de humo tienen unos efectos clave en su operación. En las calderas de tubos de agua la interfaz agua-vapor es mucho mayor en área, especialmente si se aplica gran cantidad de calor en los tubos y por otra parte las partes presurizadas, en este caso los tubos, tienen menor diámetro lo que permite lograr mayores presiones.

Las calderas de tubos de agua son muy usadas en unidades de producción de energía que requieren gran cantidad de producción de vapor a alta presión (hasta 500 kg/seg. o sea 1,100 lb/seg. a una presión de vapor de 160 bares o 2,300 lb/in²) y mayores temperaturas de salida de vapor o vapor sobrecalentado que puede llegar hasta 500 °C aproximadamente 1020 °F.

Una caldera de tubos de agua se diseña exactamente opuesta a una caldera de tubos de agua de humo, el agua fluye a través de los tubos que están encerrados en la cámara de combustión y el quemador arroja los gases en la cámara rodeando los tubos. En el más simple de los casos, los tubos corren entre un par de recipientes cilíndricos de alta presión, un recipiente al que le llega la alimentación de agua al fondo y un recipiente que acumula vapor en la parte superior, en cuyo interior la mitad del se llena de agua caliente y la parte superior contiene el vapor.

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El vapor que se obtiene del recipiente superior puede después pasar a través de otros tubos a calentarse usando los gases de combustión que salen de la cámara y elevar su temperatura un poco más, esto es llamado supercalentamiento.

Las calderas de tubos de agua típicamente producen vapor para aplicaciones industriales de alta temperatura, generación de energía, propulsión de barcos y usos similares.

Las calderas de tubos de agua están disponibles en tamaños mayores que las calderas de tubos de humo, pueden operarse a temperaturas y presiones altas (hasta 350 bares o 5,000 lb/in2). Esto combinado con su facilidad de adicionar sobrecalentamiento les permite generar vapor a varias temperaturas. Estas calderas manejan proporcionalmente menos agua que las calderas de tubos de humo, por lo que responden más rápido a cambios de carga o a cambios en el calor introducido.

Las desventajas de las calderas de tubos de agua son su alto costo inicial y que a causa de su diseño su limpieza es más difícil. Reemplazar los tubos es particularmente difícil por las complejas geometrías involucradas y que presentan un muy difícil acceso para soldar, normalmente son calderas grandes.

Existen dos tipos de diseños. La primera alternativa es una caldera con tambor longitudinal. Es el tipo original de calderas de tubos de agua y opera con un principio de termosifón. El agua relativamente fría es alimentada a un recipiente que es colocado longitudinalmente por arriba de la fuente de calor, el agua más fría baja por un maneral de alimentación y circula a través de los tubos inclinados que se encuentran dentro de la cámara de combustión. La temperatura del agua aumenta conforme pasa a través de los tubos inclinados, su densidad disminuye, lo que hace circular el agua caliente y el vapor hacia arriba de los tubos inclinados, la mezcla agua-vapor se recolecta en un maneral de circulación que lo regresa al recipiente superior, en éste las burbujas de vapor se separan del agua y salen del tanque por la parte superior.

La segunda alternativa contempla la instalación del recipiente en sentido perpendicular a como corren los tubos en el interior, logrando un flujo cruzado. Operan con el mismo principio que las calderas longitudinales pero alcanzan una temperatura más uniforme, sin embargo, tienen un mayor riesgo de daño por falla de circulación de la mezcla agua-vapor a plena carga. Sí los tubos superiores se secan, se pueden sobrecalentar y eventualmente fallar. Las calderas de flujo cruzado tienen la ventaja de que se pueden instalar una mayor cantidad de tubos inclinados debido a su posición.

Las calderas de tubo de humo son más comunes para aplicaciones de baja presión de vapor o solo para calentamiento de agua y están disponibles en tamaños que fluctúan entre los 500,000 y 75,000,000 BTU. Las calderas de tubos de agua son mayormente usadas en aplicaciones de vapor a alta presión, son muy usadas en aplicaciones industriales, para generar energía y para brindar calor de confort, sus tamaños están en el rango de 500,000 y 20,000,000 BTU.

Otro tipo de calderas comúnmente usado en aplicaciones comerciales y edificios para calentamiento de espacios son las calderas seccionadas de hierro fundido. Este tipo de calderas no usa tubos sino que están construidas por secciones de hierro fundido qué forman conductos por donde se comunican térmicamente el agua a calentar y los gases de combustión. Las placas de hierro fundido están atornilladas o remachadas parecido a la estructura de un radiador y las secciones son selladas por medio de empaques. Existen unidades que pueden producir vapor o agua caliente y están disponibles en rangos de 35,000 y 14,000,000 BTU.

La ventaja de las calderas de hierro fundido es que pueden ser armadas en sitio, siendo muy útiles para espacios pequeños ya que pueden ser transportadas a través de puertas o pequeñas entradas. Su mayor desventaja es que ya que sus secciones están selladas con empaques, por lo que es común que presenten fugas ya que los empaques se avejentan y son atacados por los tratamientos químicos necesarios para el mantenimiento.

Clasificación por presión y temperatura de trabajo. Las calderas también se clasifican como de baja o de alta presión y así es como las aborda el código ASME. Las calderas de baja presión operan a máximo 15 psig (lb/in²) para vapor y 160 psig (lb/in²) para agua caliente y tienen un límite temperatura de agua de 250°F (121°C). La mayoría de las calderas usadas en aplicaciones de aire acondicionado son calderas de baja presión. Las calderas de alta presión son mayormente usadas en la generación de energía o en aplicaciones industriales.

Clasificación por tipo de combustible. En aplicaciones de edificios comerciales el gas natural es el combustible más comúnmente usado, dada su disponibilidad, limpieza en su combustión y debido a que normalmente es más económico que el diésel o la electricidad. Existen calderas que son diseñadas para quemar más de un combustible (normalmente gas natural y diésel), lo que les otorga una ventaja en la operación en el caso de una interrupción en el suministro de alguno de los combustibles y a que dan la oportunidad de operar con el combustible más económico según este fluctuando el mercado.

Clasificación por tipo de tiro. La diferencia de presión que existe entre la cámara de combustión de la caldera y la chimenea por dónde salen los gases produce un tiro que lleva a los productos de combustión fuera de la caldera. Las calderas de tiro natural funcionan basadas en la flotabilidad que les da su alta temperatura a los gases salientes comparada con la temperatura de entrada de los gases a la cámara de combustión.

Las calderas de tiro mecánico se pueden dividir en dos tipos: de tiro forzado donde el aire es introducido a la cámara de combustión por medio de un soplador de aire para mantener una presión positiva, y las calderas de tiro inducido, donde el aire es succionado de la cámara de combustión igualmente por un soplador localizado a la salida, con el objeto de mantener una presión negativa en la chimenea.

Opciones de tamaño o capacidad. Es muy común usar calderas modulares de tamaño y capacidad pequeños para reemplazar una caldera grande. Estas son más fáciles de manejar y de instalar y puede ser transportadas por elevadores y escaleras en el caso de instalaciones comerciales y edificios. Por otro lado, otorgan gran versatilidad ya que la operación de estas unidades pueden ser ordenada en una variedad de configuraciones con la idea de utilizar un espacio limitado o acomodar más equipo, pueden funcionar en etapas para cubrir eficientemente la demanda de la carga de calor según la hora del día, la ocupación del edificio o la estación del año.

Opciones en métodos de condensación. Las calderas para producir agua caliente tradicionales operan sin condensar el vapor de agua resultante de la combustión en los gases de chimenea. El adecuado manejo de estos gases y de su condensado es crítico para prevenir la corrosión de los componentes de la caldera.

Las calderas de condensación operan a una temperatura de retorno de los gases más baja que las calderas tradicionales, lo que causa que el vapor de agua presente se condense en los gases de salida. Esto permite a las calderas de condensación extraer un calor adicional al hacer el intercambio de fase entre el vapor de agua a líquido y aumenta la eficiencia de la caldera. Algo de CO₂ se disuelve en el condensado y se forma ácido carbónico. Hay algunas calderas de condensación que están construidas para manejar esta condensación corrosiva y otras requieren alguna forma de neutralizar este condensado eliminando su acidez.

Las calderas tradicionales de NO condensación operan en un rango del 75-86% de eficiencia de combustión, mientras que las calderas a condensación generalmente operan a una eficiencia del 88-95%.

 

 

 

Fuentes:

F. William Payne and Richard E. Thompson, (1996).Efficient Boiler Operations Sourcebook, Fourth Edition, U.S.A. Fairmont Press

Sam G. Dukelow. (1991). The Control of Boilers, 2nd Edition. Triangle Park, NC: ISA.

Goverment of Canada. ( 2015-12-18). BOILERS AND HEATERS . 2021-11-3, de Natural Resources Canada's (NRCan's) Office of Energy Efficiency (OEE), Sitio web: https://www.nrcan.gc.ca/energy/publications/efficiency/industrial/cipec/6687

Capehart, B., Turner, W. and Kennedy, W., (2006). Guide to Energy Management. ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, 2008.

The National Board of Boilers and Pressure Vessel Inspectors, http://www.nationalboard.org/default.aspx.

2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), http://go.asme.org/bpvc10.

 

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