Tipos de Calderas de Circulación Forzada

Caldera Lamont: Evaporación Rápida y Eficiente

La caldera Lamont se caracteriza por forzar la circulación del agua, permitiendo evaporar una gran cantidad de agua en poco tiempo y generando una mezcla de agua y vapor. Su diseño ofrece las siguientes ventajas:

• Régimen de funcionamiento muy alto, sin riesgo de que los tubos se sequen debido al gran caudal.
• Alta rapidez en la evaporación, permitiendo el uso de agua de calidad inferior, ya que no se generan incrustaciones de sales en los tubos.

Los colectores son de pequeño diámetro. Las turbobombas arrancan con un motor eléctrico. Los tubos son más pequeños para optimizar la transferencia de calor. El distribuidor y el colector son dos partes del recalentador que se ubican encima del evaporador. Sobre el recalentador se encuentra el economizador, calentado por los gases de escape.

La cantidad total de agua que circula es de 6 a 8 veces superior a la que se evapora. La bomba solo impulsa, aumentando la presión en 1 o 2 kp/cm². Durante el encendido, se invierte el flujo del líquido y el recalentador se utiliza como un evaporador adicional. La presión de trabajo es de 60 kp/cm².

El sistema de bombas debe contar con una segunda bomba de reserva en caso de fallo de la principal, además de la válvula de seguridad.

Caldera Loeffler: Circulación Forzada de Vapor para Alta Presión

La caldera Loeffler es un sistema de circulación forzada de vapor. La llama incide directamente en el recalentador de radiación para luego pasar al recalentador por convección, que opera a contraflujo. El vapor recalentado se utiliza para producir más vapor en el colector de evaporación, de forma similar a lo que ocurre en las calderas de vaporización indirecta, evitando incrustaciones y corrosiones. Cuanto mayor es la entalpía del vapor recalentado, mayor es la cantidad de vapor que se puede generar. El vapor debe salir lo más seco posible del colector de evaporación para evitar incrustaciones al pasar por el recalentador de radiación. La temperatura del vapor es de 550 °C y la presión de trabajo oscila entre 100 y 150 kp/cm². La bomba de circulación solo absorbe un 2% de la potencia total, ya que el vapor a alta presión tiene una gran densidad, lo que permite el uso de una bomba de menor tamaño.

Caldera Velox: Alta Presión y Rápido Encendido

La caldera Velox es una caldera de alta presión, de circulación forzada de agua y con hogar sobrecalentado. Su diseño se basa en el principio de las turbinas de gas, donde se observó que una mayor velocidad del flujo de la mezcla aire-combustible incrementaba la transmisión de calor. El hogar está rodeado de tubos de agua.

En el recalentador, los gases circulan por el interior de un tubo.

La bomba de circulación impulsa una cantidad de agua 8-10 veces superior a la que se evapora. El eje del compresor de aire es accionado por un motor eléctrico hasta que se genera vapor. Alcanza un rendimiento del 94%. Posee un rápido encendido, pudiendo pasar de frío a plena carga en 10 minutos, debido a su altísima intensidad de combustión y a la mínima relación peso/potencia de la caldera.

El recalentador es de diseño térmico e incorpora pequeños tubos en los últimos tramos del hogar vaporizador, que actúan como quemadores.

Parámetros de Operación de la Caldera Velox:

• Presión de aire en el interior del hogar: 2,5 – 3,5 kp/cm²
• Temperatura de gases: 1600 °C
• Temperatura de vapor: 500 °C
• Temperatura de vapor a la turbina: 380 °C

Componentes y Características Esenciales de las Calderas

Accesorios de Seguridad y Control en Calderas

• Indicador de nivel: Mirilla o dispositivo que permite visualizar el nivel de agua de la caldera.
• Válvula de toma de vapor: Punto de salida del vapor recalentado hacia el exterior de la caldera.
• Manómetro: Instrumento para medir la presión interna de la caldera.
• Válvula de seguridad: Se abre automáticamente en caso de sobrepresión excesiva para evitar daños o explosiones en la caldera.
• Válvula de alimentación: Permite el paso del agua de alimentación a la caldera para reponer el volumen evaporado.
• Válvula de extracción (o purga): Ubicada en la parte más baja de la caldera, se utiliza para limpiar el fondo de fangos, sedimentos y otras impurezas.

Definiciones Clave en el Funcionamiento de Calderas

• Presión de régimen: También conocida como presión de funcionamiento o trabajo. Se mide en el colector de vapor saturado y a la salida del recalentador.
• Presión de timbre o seguridad: Es la presión máxima que la caldera puede soportar de forma segura. Es superior a la presión de régimen y tiende a disminuir a medida que la caldera envejece.
• Presión de prueba: Presión aplicada periódicamente para verificar la resistencia estructural de la caldera. Se mantiene durante 30 minutos y, si es excesiva, pueden producirse deformaciones plásticas. Es un 25% superior a la presión de timbre.
• Capacidad o potencia: Máxima cantidad de vapor que puede generar la caldera en un tiempo determinado.
• Superficie de calefacción: Se divide en dos tipos: directas e indirectas. Las directas están en contacto directo con la llama o gases calientes.
• Volumen del hogar: Volumen interno del horno (en m³) limitado por las superficies de calefacción.
• Vaporización específica (por superficie): Cantidad de vapor generada por unidad de superficie de calefacción.
• Intensidad de combustión: Cantidad de combustible que la caldera puede quemar por metro cúbico de hogar y por hora.
• Vaporización específica (por combustible): Cantidad de vapor generada por unidad de combustible quemado.
• Rendimiento: Relación entre el calor útil aprovechado y el calor total producido.
• Peso de la caldera: Factor que influye en la estabilidad y en las operaciones de movimiento o instalación de la caldera.

Condiciones Esenciales para el Diseño y Operación de Calderas

• Seguridad: Garantiza la continuidad del servicio y la protección del personal y las instalaciones.
• Resistencia: Capacidad de los materiales para soportar cualquier condición de carga o esfuerzo.
• Flexibilidad: Permite a la caldera adaptarse rápidamente a los cambios en la demanda de carga.
• Baja acumulación de agua: Contribuye a una mayor flexibilidad y rapidez de respuesta.
• Sencillez de manejo: Facilidad de operación y seguridad para el personal.
• Sencillez constructiva: Diseño que facilita las reparaciones y el mantenimiento.
• Condiciones de dilatación y contracción: La caldera debe soportar los ciclos de calentamiento y enfriamiento (de frío a funcionamiento) sin que se vean afectadas las tuberías y colectores.
• Características del vapor: Se busca que el vapor sea lo más seco posible, es decir, que no arrastre partículas de agua.
• Rendimiento: Debe ser lo más alto posible para optimizar el consumo de combustible.
• Circulación del agua y gases: Debe ser activa, bien definida y evitar calentamientos localizados excesivos.

Sistemas de Circulación de Agua en Calderas

Tipos de Circulación Natural del Agua

1. Libre: Se refiere a aquellas en las que las corrientes de convección se mueven sin restricciones, como en los océanos o en un recipiente calentado al fuego.
2. Limitada: Se presenta en calderas acuotubulares, donde el flujo del agua y vapor está confinado y dirigido a través de los tubos.
3. Acelerada: También ocurre en calderas acuotubulares y se debe al efecto termosifón dentro de los tubos. Este efecto acelera la corriente debido a la diferencia de densidades entre la mezcla agua-vapor ascendente y el agua más fría descendente, creando un vacío parcial que impulsa el flujo.
4. Activada: En algunas calderas, existen zonas muertas en los colectores con una conducción de calor deficiente. Para activarlas, se inyecta agua caliente que modifica el sentido de la convección, mejorando la circulación.

Límites de la Circulación Natural

Un grado de combustión excesivo puede reducir el número de tubos de descenso por debajo de un valor admisible. Si el agua que llega no es suficiente para reponer lo que se evapora, el sistema puede colapsar.

Un límite de la circulación natural es el grado de combustión: no se puede aumentar la cantidad de combustible sin poner en peligro la estructura de la caldera.

Otro límite es trabajar con vapor húmedo, lo que implica un arrastre excesivo de partículas de agua.

Para calderas de alta presión, la circulación está íntimamente ligada al grado de combustión, lo que representa otro límite. Si la combustión es excesiva, primero aparece la humedad y, finalmente, se compromete la circulación.

En una caldera bien diseñada, si la combustión es el factor limitante, los otros problemas (humedad, circulación) pueden manifestarse. En las calderas Babcock, los tubos son de mayor diámetro para aumentar la capacidad de descenso del agua. La velocidad del líquido debe estar entre 0,34 y 1,5 m/s. Por debajo de 0,3 m/s, el tubo no se refrigera adecuadamente y puede sufrir daños.

Los límites de la circulación natural se hacen más evidentes en comparación con la circulación forzada, especialmente a altas presiones, donde las densidades del agua y el vapor tienden a igualarse, dificultando el efecto termosifón.

Ventajas e Inconvenientes de la Circulación Forzada

La circulación forzada presenta una circulación estable, bien definida y a gran velocidad. Ofrecen mayor flexibilidad en la operación. Tienen un menor peso volumétrico y, por lo tanto, una alta relación potencia/peso. La operación es muy flexible, permitiendo pasar de frío a encendido rápidamente. Se reduce la altura de la caldera y, gracias a la circulación forzada y al encendido controlado, se eliminan zonas calientes y frías. Soportan sobrecargas, permitiendo trabajar cerca de los límites de diseño del proyecto.

El principal inconveniente es el deficiente almacenamiento de agua dentro de la caldera, ya que la mayor parte del agua se encuentra en el circuito de alimentación. El desaireador actúa como un desgasificador y, en cierta medida, como un almacén.

Otro inconveniente son las bombas, cuyas empaquetaduras deben soportar altas presiones y temperaturas. Estas calderas requieren elementos de control muy sensibles para evitar colapsos.

Sistemas de Tiro en Calderas: Natural, Forzado e Inducido

Influencia de las Condiciones Atmosféricas en el Tiro Natural

Si aumenta la temperatura exterior, la presión del tiro natural disminuye al reducirse la densidad del aire. La presión del tiro también disminuye cuando la temperatura de los gases de escape baja.

Se obtiene más tiro cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre los gases de escape y el ambiente. Si la presión atmosférica desciende, el tiro disminuye. A mayor altitud, menor tiro.

Un alto grado higrométrico (humedad) aumenta la cantidad de vapor de agua en el aire y disminuye la concentración de oxígeno, lo que resulta en un menor tiro. En condiciones atmosféricas muy desfavorables, el tiro puede reducirse hasta un 64% del valor normal.

Tipos de Tiro Forzado

• Forzado a Cenicero Cerrado

  El compresor de aire descarga el aire directamente a la boca del horno. Este es el método más sencillo y económico de tiro forzado, pero no ha sido muy utilizado debido a que crea una sobrepresión que se reduce por pérdidas de presión.

• Forzado a Cámara Cerrada

  Este sistema absorbe un 37% más de potencia que el anterior. Se utilizaba principalmente en buques de guerra, donde el espacio de máquinas era muy limitado. El compresor o ventilador introduce aire tanto para ventilación como para combustión. La presión de la cámara de máquinas se mantiene estable gracias a un sello de aire.

• Forzado Mixto

  Este sistema emplea dos compresores: uno para ventilación y otro para presurizar el interior de la caldera, este último dedicado exclusivamente a la combustión. El compresor de ventilación genera una presión de 100 cm de columna de agua, mientras que el de la caldera produce 5 kp/cm², y el sistema en conjunto requiere un 8% más de potencia.

Tiro Inducido: Funcionamiento y Consideraciones

El extractor está situado en el exterior de la caldera, a la salida de la chimenea. A diferencia del tiro forzado, donde el compresor calienta el aire de combustión en un ciclo adiabático, el tiro inducido crea una depresión en el interior de la caldera, lo que puede implicar la entrada de aire frío ambiente al hogar si hay fugas. Este sistema consume mucha potencia, y su clasificación como total o parcial depende del diseño específico del conducto o ‘grampa’.

Otro inconveniente es la necesidad de que los gases de escape estén libres de hollín y cenizas, ya que estas partículas pueden ensuciar y dañar el extractor.