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.