HISTORIA DE LAS CALDERAS
Herón de Alejandría, probablemente en el primer siglo D.C., describió una caldera y una turbina de reacción, pero no formuló sugerencias relacionadas con la aplicación útil del dispositivo.
No hay referencias correspondientes al empleo práctico del vapor hasta el siglo XVII. A partir de entonces, se dieron muchas condiciones que estimularon el rápido desarrollo del empleo de vapor en el ciclo de energía.
La explotación minera se desarrolló en gran medida, requiriéndose cantidades considerables de combustible para la calefacción de los espacios y para su empleo en las cocinas. El crecimiento industrial y militar, especialmente en Inglaterra, requirió igualmente mayores cantidades de combustible.
Se desarrolló en gran escala la explotación de las minas de carbón, pero a medida que éstas iban siendo más profundas, con frecuencia eran inundadas por el agua. Los ingleses, en particular, se enfrentaron a limitaciones graves en su crecimiento si no eran capaces de encontrar métodos económicos para sacar mediante bombas el agua de las minas.
La importancia concedida al problema se observa en el gran número de hombres que dedicaron su esfuerzo a este asunto y por la gran cantidad de patentes relativas a máquinas destinadas a sacar el agua de las minas, con bombas que utilizaban “la fuerza expansiva del vapor”.
Una de las primeras máquinas de vapor de tipo práctico fue la máquina atmosférica de Thomas Newcomen. El vapor procedente de una caldera elevaba, al llegar a un cilindro, un émbolo, por expansión y mediante la ayuda de un contrapeso situado al otro extremo de un balancín accionado por el émbolo. A continuación se cerraba la válvula de vapor y aquél que ocupaba el cilindro se condensaba bajo la acción de un chorro de agua fría. El vacío ocasionado así en el émbolo obligaba a éste a descender bajo la acción de la presión atmosférica, realizando de esta forma su trabajo, consistente en accionar una bomba. La caldera utilizada por Newcomen no era otra cosa que un recipiente de cobre de los empleados por los cerveceros. En 1711 se aplicó a las minas una máquina Newcomen para el bombeo del agua. Durante la última mitad del siglo XVIII, el inventor escocés James Watt llevó a cabo mejoras significativas en las primitivas máquinas de vapor, mismas que quedaron totalmente separadas de las calderas. Aun cuando los biógrafos de Watt dicen poco sobre las mejoras introducidas por él en las calderas de vapor, la evidencia indica que Boulton y Watt crearon la primera caldera de carreta llamada así por su apariencia. No era otra cosa que un recipiente cerrado que contenía agua y vapor, con la forma de una carreta cubierta y situado sobre un foso de fuego.
CALDERAS TUBOS DE HUMO
El siguiente inventor y constructor destacado fue Richard Trevitchik, quien observó que el mayor problema de estos sistemas de vapor se encontraba en la fabricación de la caldera. Aunque el cobre era el único material hasta entonces disponible, también podían utilizarse láminas de hierro forjado y martillado.
En 1800, Trevitchik hizo una máquina capaz de soportar una presión de 4.57 kg/cm2 (65 psi,) con un cilindro de 63.5 cm (25 pulgadas) y carrera de 3 metros (10 pies). La elevada presión de trabajo de la máquina resultaba posible únicamente debido a que se contaba con una caldera de alta presión. Construida en 1804, esta caldera estaba formada por una envolvente cilíndrica de hierro fundido y con un extremo en forma de disco.
Al aumentar la demanda de cantidades aún más grandes de energía, los avances realizados consistieron en reemplazar el tiro único por muchos tubos par gases, lo que aumentó la superficie de calefacción. Este era el diseño esencial, en uso generalizado hasta aproximadamente 1870. Sin embargo, las calderas tubos de humo resultaban limitadas en cuanto a su capacidad y su presión, no estando por ello destinadas a satisfacer las exigencias que se hacían presentes, relativas a presiones mayores y a tamaños unitarios más grandes.
CALDERAS TUBOS DE AGUA
En los últimos años del siglo XVIII, el estadounidense John Stevens inventó una caldera formada por un grupo de pequeños tubos cerrados por un extremo y conectados por el otro a un depósito central. El diseño tuvo corta duración, debido a los problemas básicos de ingeniería que suponían su construcción y operación. En 1856, Stephen Wilcox propuso lo que habría de constituir un adelanto fundamental en relación con las calderas con tubos de agua. Su diseño aplicaba tubos de agua inclinados que conectaban los depósitos de agua situados en la parte anterior y en la posterior, con un espacio superior para el vapor, lo que permitía una mejor circulación del agua y un aumento en la superficie de calefacción. Una ventaja adicional consistía en la reducción de los riesgos por explosión inherentes al diseño de
tubos de agua. En 1866, George Herman Babcock se asoció con Stephen Wilcox y un año más tarde patentaron la primera caldera Babcock y Wilcox. El éxito y la amplia aceptación de la caldera con tubos de agua inclinados que tuvo lugar durante un período sin precedentes de rápido crecimiento industrial, estimuló a otros inventores a explorar nuevas ideas en el diseño de calderas. En 1880, Allan Stirling creó un diseño que conectaba directamente los tubos de generación de vapor a un tambor separador, caracterizándose además por el reducido espacio superior sobre el hogar. Estas calderas utilizaban en su construcción tubos doblados en contraste con los tubos rectos utilizados en la B&W. El mérito de las calderas con tubos doblados para aplicaciones especiales se vio pronto reconocido por Babcock y Wilcox, dando lugar a que en 1906, la B&W adquiriese lo que entonces se llamaba la Stirling Consolidated Boiler Company. 1.0 TEORÍA DE LA CALDERA
Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua para producir vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial. El sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha está conectada a otros, de los cuales unos calientan el agua (recalentadores de agua, economizadores) o el aire de combustión
(precalentador
de
aire),
y
otros
recalientan
el
vapor
(recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz vaporizador. Durante su funcionamiento la caldera propiamente dicha está sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el agua o el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador,
recalentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición.
La forma de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente y, sobre todo, se ha diversificado, incluso si nos limitamos a considerar las calderas
calentadas
por
hogares.
Las
primeras
calderas
consistían
esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte inferior, llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes.
Para obtener, además, grandes superficies de contacto, se construyeron más adelante calderas con hervidores, situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y conectado a éste mediante conductos tubulares. En este sentido ha constituido una nueva etapa la aparición de las calderas semitubulares, cuyo cuerpo principal está atravesado por un haz tubular.
Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en el hogar ha consistido en emplazar éste en el interior de la caldera, estando constituido por un cilindro de plancha, cuya superficie externa está enteramente bañada por el agua.
Caldera pirotubular
1.1 TIPOS DE CALDERAS
Acuotubulares
Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.
La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.
Ventajas:
La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 24.6 (Kg./cm2).
Se fabrican en capacidades de 15 hasta 1500 (Kw.).
Por su fabricación de tubos de agua es una caldera inexplosiva.
La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.
Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.
Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.
Son utilizados quemadores ecológicos para combustión, gas y diesel.
Sistemas de modulación automática para control de admisión airecombustible a presión.
El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor
aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.
Caldera acuatubular
Pirotubulares
La
caldera
de
vapor
pirotubular,
concebida
especialmente
para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características. El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
El conjunto completo con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante en una bancada sólida de firme construcción, suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones e instalación.
Caldera pirotubular
