Generadores de vapor

GENERADORES DE VAPOR

1. INTRODUCCINLas calderas pueden ser utilizadas como calentadores de agua, sin llegar a evaporarla, o como generadores de vapor. Nosotros estudiaremos en este curso esta segunda aplicacin, analizaremos los sistemas y componentes de las calderas como elementos generadores de vapor, un vapor cuya aplicacin industrial deriva bsicamente en dos ramas, dentro del mbito naval y fabril.Des de hace unos 5 o 6 aos atrs, absolutamente todos los buques metaneros se propulsaban por turbinas de vapor. Desde la fecha han ido apareciendo nuevos buques cuyos sistemas propulsivos se encuentran exentos del uso de vapor,

utilizando como fuente de energa el gas natural que se re evaporiza y despus lica para la combustin interna de motores especializados. En todo caso, los sistemas que de momento ofrecen mayor fiabilidad son las plantas propulsivas que montan turbinas de vapor, de ah el uso masivo de calderas y su estudio.As pues, el vapor se puede utilizar como elemento propulsivo, explotndolo mecnicamente (turbinas) y tambin como elemento para el calentamiento de fluidos mediante el intercambio de calor (serpentines) por ello las caractersticas del vapor deben ser diferenciables, segn sea su aplicacin prctica: si se usa para obtener potencia (en turbomquinas) el vapor debe ser generalmente seco, sin embargo si se usa para calentar otros fluidos lquidos, como por ejemplo fuel, nos interesar un vapor saturante, un vapor producido a partir del proceso de evaporizacin por hervor de agua; esto se justifica a continuacin.1.1 El vapor y su utilidadLa evaporacin por hervor de agua es un proceso en el que el agua se calienta mediante la aportacin de calor (providente del quemador) causando la excitacin de las molculas del lquido y emergiendo, as des de su seno, unas pequeas burbujas que ascienden (por su menor densidad) hacia la superficie, explotando y liberando el vapor que contenan al exterior.Ese vapor que se acaba de producir, que est en presencia del lquido que lo ha producido, es vapor saturante. Es un vapor que satura el espacio que lo contiene, ocupando todo el volumen posible y cuya temperatura es comn a la del agua que hierve; a partir de este momento, si se produce ms vapor se puede dar el caso de que: o bien la presin aumente, o que parte de ese vapor se condense. En la parte superior de la caldera se practica una salida por la que escapa el vapor saturante cuya temperatura, como apuntamos anteriormente, es la temperatura de evaporacin del agua, eso s, correspondiente a la presin de trabajo de la caldera. Este vapor al ser enfriado vuelve a transformarse, muy fcilmente, en pequeas gotitas de agua, por lo que es un vapor que est en delicado equilibrio des del punto de vista del estado fsico.Al vapor saturado lo podemos calentar algo ms mediante un serpentn. Su estado fsico continuar siendo el mismo (vapor), pero su temperatura aumentar por encima de la temperatura de evaporacin correspondiente a la presin interna de la caldera, pasando a ser vapor sobrecalentado o vapor seco. Si a este vapor recalentado lo enfriamos mediante un segundo serpentn, este se comenzar a enfriar (sin condensar) desde la temperatura en la que se encuentre hasta la temperatura de evaporacin (dada por la presin del sistema). Una vez convertido en vapor saturante, manteniendo su temperatura comenzar a condensar. Al calentar fuel siempre se utiliza vapor saturante, pues este condensa al salir por el intercambiador, aportando todo su calor inicial que l expide a fin de cambiar su estado (de vapor a lquido), prestando toda su energa al fuel, aumentando su temperatura. Por tanto, cuantos ms julios ceda el vapor por kg menos vapor requerir el intercambio para calentar el fuel. Es por ello que se utiliza el vapor saturado, porque tiene mucha capacidad de almacenar energa y prestarla toda cuando se condensa. A dems, el vapor (en general) es un gran transmisor de energa, disminuyendo la demanda de generacin de vapor u otros fluidos trmicos en la instalacin. Al final del serpentn se pone un purgador que deja salir el agua condensada pero no el vapor hasta que este no lica. A cada presin le corresponde una y slo una temperatura de evaporacin. Si se quiere calentar el vapor a mucha temperatura para calentar fuel, podramos aventurar que utilizar una presin elevada sera lo acertado. Pues no, esto es algo peligroso, porque a mayor presin en la caldera o en los serpentines, mayor espesor requerirn las paredes, y por tanto ms material necesitarn todos y cada uno de los elementos del sistema (a efectos de resistencia) impidiendo el paso libre de calor al exterior en el caso, por ejemplo, de un intercambiador. Por ello, al calentar fuel, la presin de trabajo no debe ser excesivamente elevada y debe usarse vapor saturado aunque su temperatura sea menor que la del vapor seco. Estas presiones suelen ser de, ms o menos, 15bares.Resumiendo, para intercambio de calor y calentamiento de fuel, por ejemplo, no utilizaremos vapor recalentado o vapor seco, sino vapor saturado pues ste presta mucho ms intercambio de calor, y no


utilizaremos presiones muy elevadas para subir la temperatura a fin de evitar la aplicacin de espesores muy grandes. Adems, a altas presiones se reduce la cantidad de calor cedido en la condensacin, ya que es con presiones bajas cuando la condensacin es mucho ms prolongada (vase la campana).Por el contrario, si utilizamos el vapor para producir trabajo (turbinas) tambin se pueden usar presiones bajas, pero si se requiere mucha potencia utilizaremos grandes presiones y temperaturas altas a fin de conseguir mucha energa por unidad de tiempo en el sistema y un mayor rendimiento. En una turbina el vapor se expansiona, por este motivo, si introducimos vapor saturante, como este condensa sin dificultad al ceder calor, a la salida de la turbina las pequeas gotitas de agua chocaran con las palas de la misma, estropendolas a corto plazo. Existen turbinas para baja presin pero son difciles de controlar. As pues lo idneo es utilizar vapor muy recalentado para que, por mucho que se expansione, no condense dentro de las turbinas. Cuando el vapor hmedo o seco no se adecua a nuestras necesidades de potencia, se emplean otras temperaturas mucho ms altas mediante la utilizacin de otros fluidos trmicos, como son:

a) Los que cambian de estado de agregacin como por ejemplo el vapor de agua.b) Los que no cambian su estado, por ejemplo, el agua lquida caliente con bombas de presin

(agua sobrecalentada) o aceites orgnicos para trabajar a temperaturas de 300 a 400c sin cambio de estado.

2. LAS CALDERAS

2.1. ConstitucinLa geometra de los elementos integrantes de una caldera se justifica por medio del rendimiento, prestaciones y mtodos de construccin. Este ltimo aspecto, junto con el carcter econmico, ha estado siempre ligado al paso del tiempo y a las tecnologas empleadas hasta hoy en da.Los generadores de vapor son los encargados de crear vapor, por ello es muy importante el meter agua en su interior de forma constante, contenindola y calentndola simultneamente hasta la temperatura de ebullicin.Bsicamente la forma de una caldera depende del mtodo empleado para calentar el agua. Existen calderas elctricas, nucleares, de carbn, de gas e incluso solares para usos especficos, clasificndose entonces segn el recurso energtico empleado; en el caso de combustibles, estos pueden ser slidos (carbn, lea), lquido (fuel, gasoil) o gaseosos (gas natural, ciudad). La combustin (mediante quemadores) permite transformar la energa calorfica, por ejemplo del fueloil, en energa trmica calentando el agua hasta evaporarla. Por tanto, una caldera no es ms que un recipiente cerrado, en el interior del cual conviven el agua lquida y el vapor, y capaz de soportar la presin interior de este y el estrs por variaciones de temperatura.Otro espacio es la cmara de combustin, un espacio cerrado donde poder quemar el combustible de forma segura y continuada. El calor producido debe ser transmitido a la caldera a fin de calentar el agua que se est evaporando, por ello es precisa una superficie de contacto justa entre ambos espacios. As que nos interesa que la caldera tenga una forma y espesor apropiados para resistir la presin y una superficie de absorcin de calor suficiente, estas dos premisas son el punto de partida del diseo de cualquier caldera.

2.2. El Diseo Las formas vlidas para resistir la presin interior (ejercida por el vapor) deben ser lo ms simtricas posibles, es decir, las de seccin circular (esferas cilndricas). Si por el contrario se utilizan formas ya no tan simtricas, como puede ser un cuadrado, aparecern esfuerzos y deformaciones en las chapas no cercanas a las esquinas.Por tanto siempre son ms apropiadas las formas con secciones circulares que con formas planas. El cdigo ASME siempre indica para paredes circulares espesores mucho ms delgados que para paredes


planas pues estas se deforman por su baja capacidad resistiva (poca inercia). Las figuras geomtricas (esfera y cilindro) son las aconsejables.Otra condicin es la buena transmisin del calor entre los gases de la combustin y la superficie que contiene el agua. Se puede demostrar que para igual volumen, la esfera es la que tiene menor rea lateral, eso es un problema si, por lo contrario, tenemos que tener mucha superficie para facilitar el flujo de calor entre el quemador y la caldera. As que, la esfera va bien para resistir las presiones, pero mal para la obtencin de la suficiente are de contacto y la buena trasferencia de calor. Otra figura vlida, resistivamente hablando, puede ser el cilindro, concretamente el cilindro cuadrado (dimetro = longitud) pero aunque sea el ms resistente es el que menos nos interesa, pues (entre los cilindros) es el que menos superficie desarrolla. Pero si aumentamos la longitud del cilindro (en relacin a su dimetro) obtenemos tubos, ganando rea de contacto y manteniendo la resistencia mecnica inherente a su geometra. Los tubos son el elemento ms usado en calderas (serpentines, conductos) puesto que el cilindro (tubo) resiste muy bien la presin (pudiendo usar espesores relativamente pequeos en relacin a su dimetro) ofreciendo adems reas grandes, algo muy interesante para facilitar la transferencia de calor.

Los tubos suelen ir sin tapas, pero en ocasiones, cuando los tubos son grandes y soportan cierta presin (envolventes) requieren tapas a lado y lado. Debido a los esfuerzos por presin a los que se someten las tapas de un cilindro grande se corre el riesgo de que stas se puedan deformar permanentemente, por ello dichas tapas tienen una cierta forma esfrica que les da solidez, evitando el uso de grandes y pesados espesores. Si las tapas han de ser obligatoriamente planas, se tienen que reforzar con tirantes (varillas de acero que trabajan a traccin y estn roscadas mediante tuercas en las tapas y selladas a ellas).

La funcin de los tubos ser separar el agua circulante de los gases calientes, dando lugar a dos tipos de calderas:

a. Agua dentro y gases fuera, AQUOTUBULARES b. Gases dentro y agua fuera, FUMITUBULARES PIROTUBULARES

Nota: En la prctica se usan los dos tipos pero con aplicacin y caractersticas diferentes. Existen casos donde se usan ambos sistemas (calderas auxiliares mixtas).

Las fumitubulares deben tener un recipiente circular (cilindro) muy grande, normalmente con las tapas planas a fin de contener a los tubos calentadores, accesorios de seguridad y medicin, el vapor y el agua. Normalmente son calderas para presiones bajas, la razn est en que un tubo estrecho, por ejemplo, para resistir mucha presin no necesita (por geometra) mucho espesor, es decir, cuanto menor sea su dimetro,

menor ser el espesor necesario para resistir la presin. Pero en cambio (a igualdad de presiones) contra ms grande sea el dimetro del cilindro, ms espesor solicitar el mismo junto con sus tapas. Entonces, como estas calderas tienen que ser tan grandes, la presin que pueden soportar es pequea, sino tendramos que gastar mucho material y no sera rentable. Estas calderas van bien para calentar fuel porque la presin que se exige para esto no es alta (vapor saturado). Las aquotubulares son para presiones muy elevadas, pues aqu como el agua y el vapor van por dentro de tubos menudos la presin que pueden soportar es enorme aunque los espesores sean muy pequeos.

2.3. EvolucinLo primero que se invent fueron las calderas en forma esfrica, aunque no mucho tiempo ms tarde se aplicaron variaciones cambiando la orientacin de las concavidades en algunas zonas. Un ejemplo de este tipo de calderas sera la de Inucomen a principios del siglo 18, empleada para el secado de minas de yerro, cuya funcin era hacer el vaco mediante el llenado de vapor en cilindros. Para la combustin del carbn se utilizaba una parrilla y los gases de la combustin recorran el espacio cerrado de un cerramiento de ladrillo bajo la caldera. A fin de reducir las prdidas de calor se pas a usar la forma semicilndrica (calderas de Watt) mejorando las anteriores a causa de su mayor superficie con la cmara de combustin y su cerramiento ms prolongado. Tambin la variacin de las formas en las


chapas de la esfera (primero) y cilindros (despus) permiti, an ms, la mejor acogida del calor. Todas estas calderas funcionaban con carbn y a fin de perfeccionarlas ms, se empleo el uso de cilindros, dentro de los cuales se encontraba el agua y por fuera, en la parte inferior, la cmara de combustin integrada en un cerramiento rectangular de obra acogiendo a toda la envolvente. Esto ms o menos a principios del siglo 19.

El siguiente paso fue introducir el espacio de combustin en el interior de los cilindros, es decir, de las calderas a fin de evitar prdidas por la parte exterior de la cisterna y cerramiento. La idea fue meter un cilindro dentro de otro cilindro mayor. El pequeo era la cmara de combustin y el grande la caldera propiamente dicha, introduciendo la parrilla dentro. Estas calderas son las tpicas de las locomotoras de vapor. Tambin se encuentran calderas de este tipo con dos cmaras de combustin internas en la caldera y hasta 5 en usos marinos.Estos cilindros interiores cuya funcin era la de cmara de combustin (hogar) fueron lisos desde un principio, pero se comenzaron a fabricar con chapa corrugada a fin de aumentar la superficie de contacto entre dicha zona y el agua interior, tanto por arriba como por abajo y laterales.

Adems esta forma permita una mayor flexibilidad a efectos de dilatacin por calor. Esto fue un gran paso, pues si la caldera se encuentra fra, encenderla no supone un riesgo de rotura o esfuerzos peligrosos para la envolvente. Ms tarde se introdujeron tubos de humo dentro de la envolvente y, tiempo despus, se montaron juntos con el propio hogar, compactando el diseo. El diseo actual se basa en un cilindro grande (la envolvente) de unos 2 o 3 m de dimetro. Es bsicamente un cilindro con tapas planas para poder instalar la conduccin de los gases, la puerta para el carbn, los aparatos de medida y seguridad, etc. Dentro de ste gran cilindro se encuentra el hogar (cmara de combustin) y los haces de tubos unidos a las chapas tubulares mediante soldadura o mandrilado. De una forma esquemtica:

1) Caldera esfrica: Aplicacin de calor en la parte inferior y obtencin de vapor.2) Caldera semiesfrica con geometra modificada: Aplicacin de calor en la parte inferior y

obtencin de vapor.3) Caldera de geometra alargada: Aplicacin de calor, en la parte inferior y lateral, y obtencin de

vapor.4) Caldera cilndrica: Aplicacin de calor en la parte inferior y obtencin de vapor.5) Caldera cilndrica con quemador interno: Montaje de una cmara de combustin excntrica en el

interior del cilindro.6) Caldera cilndrica con doble quemador interno: Montaje de dos cmaras de combustin

excntricas en el interior del cilindro.7) Caldera fumitubular: Cilindro de agua por el interior del cual pasa un conjunto de tubos por

dentro de los cuales circulan los gases calientes de la combustin realizada en una cmara externa y posteriormente interna.


2.4. Soluciones constructivas (Uniones)La principal unin de las calderas es la que se produce entre el tubo y la chapa. Esta unin debe ser tal que impida la prdida de agua o vapor por el hueco existente y debe soportar el peso del tubo con las posibles vibraciones. Esta unin se puede realizar por medio del proceso de soldadura o por el proceso de mandrilado. El proceso de mandrilado es el ms utilizado y se basa en la introduccin de una herramienta cnica, la mandriladora, en el extremo del tubo cuando este est puesto en su correcta posicin. En ese momento la herramienta realiza una presin hacia la parte externa del tubo ensanchndolo y obligndolo a presionar la chapa. De esa manera el tubo queda unido a la chapa por presin.

2.4.1. MantenimientoPara la construccin de las calderas se debe tener acceso al interior de los colectores u otros puntos, donde vayan a parar finales de tubo, a fin de poderlos mandrilar. Los tubos quemados u obstruidos se taponan con un tapn troncocnico y se dejan inutilizables hasta su futura sustitucin. Por esto se debe poder acceder al interior de los colectores u otros puntos donde vayan a parar finales de tubo (caja de fuegos y de humos).

3. CALDERAS FUMITUBULARESLas calderas fumitubulares son un tipo de calderas que se caracterizan porque por el interior de los tubos circulan los gases calientes de la combustin y por el exterior el agua que se evapora gracias al calor que le transmiten los tubos. Como ya se coment, dichas calderas trabajan a presiones bajas y generan bajos caudales de vapor. El vapor que generan se utiliza como fluido trmico en la gran mayora de los casos.

3.1. Evaporacin nucleada

El modo de evaporacin que se produce en las calderas fumitubulares es la evaporacin nucleada. Este modo de evaporacin se caracteriza por la generacin de ncleos de evaporacin (burbujas) en la superficie externa de los tubos. Estas burbujas tienen tendencia a subir (fuerza de ascensin) a causa de la variacin de densidad del vapor con respecto al agua. Por otra parte unas fuerzas de cohesin la mantienen unida al tubo. Pero la burbuja aumenta de volumen hasta un punto en que la fuerza de ascensin es superior a la de cohesin y la burbuja se desprende subiendo a la superficie.

3.2. Corrientes de conveccin

Las corrientes de conveccin se producen a causa de los movimientos de ascensin naturales del agua por variacin de la densidad. Estas corrientes son favorables ya que mejoran la transferencia de calor en la caldera y aceleran la produccin de vapor saturante.

3.3. Recalentado de vapor

El recalentado de vapor es un proceso por el que se aumenta la temperatura del vapor saturado pudiendo conseguir si se precisa vapor seco. Este proceso se consigue por medio de la introduccin de un tramo de tubo en forma de U, recalentador, en el interior de un tubo de humo de manera que el conducto de vapor recibe de manera directa el calor de los gases.


3.4. Encendido

El encendido de las calderas fumitubulares es caro y costoso a causa del gran tonelaje de agua que hay en su interior. Estas no se pueden quedar sin agua ya que se queman fcilmente. Por ello se controla el nivel de agua de alimentacin de forma automtica mediante sensores de nivel y bombas de alimentacin.

3.5. Transferencia de calor

La transferencia de calor en las calderas se realiza por medio de los tres mecanismos (conduccin, conveccin y radiacin). La conduccin se produce a travs del material de los tubos, de la zona ms caliente a la ms fra. El ms importante es el mecanismo de conveccin para el que debe haber movimiento de flujo. Este movimiento puede ser natural o forzado (mediante ventiladores de impulsin en el quemador o de extraccin en la chimenea). Para la conveccin es importante conocer el coeficiente de conveccin que refleja la facilidad que tienen los fluidos para transmitir o recibir energa trmica en relacin a su temperatura h (w/m2k).

Nota: Se puede observar que en conveccin forzada aumenta el coeficiente de conveccin con respecto a la conveccin natural en todos los casos.

Qabs/ced=h(TFluido- TSuperficie)A (W)

Por otra parte existe diferencia entre el coeficiente de conveccin del vapor de agua condensando y el de el agua evaporando. Este matiz es importante para la refrigeracin de los tubos ya que significa que existe ms dificultad para transmitir calor al tubo (calentamiento) que no para su absorcin (refrigeracin) con lo que ser ms difcil quemar el tubo. Y por otro lado, el mecanismo de radiacin es la transmisin de calor a distancia provocada por la llama. La llama de la combustin emite una radiacin intensa en el interior de la cmara de combustin y es absorbida por las paredes de la misma, transmitindose hacia el agua de su alrededor.

3.6. Partes principales comunes de las calderas pirotubulares

a) Cmara de combustin con elementos:a.1. Hogar: es la Zona de quema del carbn.a.2. Emparrillado: Es la placa que soporta la combustin.a.3. Cenicero: Es la zona donde caen las cenizas.

b) Caja de fuegos: Zona de recogida de los gases de la combustin.c) Haz tubular: Conjunto de tubos por el interior de los cuales pasan los gases de la combustin.d) Caja de humo: Zona de recogida y escape de los gases de la combustin.e) Tirantes rigidizadores: Conjunto de varillas roscadas que se fijan en los extremos de la caldera con la

finalidad de evitar deformaciones por presin. Estas varillas se fijan con un sistema de tuerca y contratuerca y entre la varilla y la chapa se monta una junta de obturacin con la finalidad de evitar las prdidas de vapor o agua. Esta deformacin tambin se podra evitar aumentando el espesor de la chapa, aunque para soportar las presiones, este aumento debera ser considerable, por lo que es ms rentable montar tirantes.


3.7. Caldera escocesa cilndrica de llama directa

Esta caldera tiene esta denominacin a causa de que los gases, desde que se generan en la combustin hasta que salen al exterior, no sufren ningn cambio de sentido en el interior de la caldera.

3.8. Caldera escocesa cilndrica de llama en retorno

Esta caldera tiene esta denominacin a causa de que los gases, desde que se generan en la combustin hasta que salen al exterior, sufren un cambio de sentido en el interior de la caldera. La particularidad de esta caldera es que tiene 3 hornos, es decir, 3 cmaras de combustin. Los elementos internos (horno, caja de fuegos, etc.) van sujetos por virotillos, unas varillas de corta longitud que actan como soportes.

3.9. Caldera Howden Johnsonketel


El funcionamiento bsico de esta caldera se basa en el de la caldera de llama en retorno. La particularidad de esta caldera es que tiene unos conductos (tubos) que mejoran las corrientes de conveccin internas de la caldera facilitando as la transmisin de temperatura. Estos conductos se alimentan de agua caliente de la parte inferior y permiten que por variacin de densidad sta suba a la parte superior de la caldera. Adems tiene unos conjuntos de haces tubulares para generar vapor recalentado que se alimentan de un mismo distribuidor.

3.10. Dry back/wet back system

Dry back: Significa fondo seco. Las calderas de fondo seco se caracterizan porque la caja de fuegos est en contacto con el extremo posterior de la caldera. Esto implica que no circula agua por esa parte por lo que el calor emitido en la parte trasera de la caja de fuegos se pierde. La ventaja de estas calderas es que son accesibles desde la parte exterior, por medio de una abertura existente en la parte posterior de la caja de fuegos, por lo que las dimensiones generales de la caldera pueden ser menores, algo beneficioso en las instalaciones marinas, ya que no es necesario entrar en el interior para efectuar reparaciones.

Wet back: Significa fondo hmedo. En las calderas de fondo hmedo hay circulacin de agua por la parte posterior de la caldera, por lo que se aprovecha todo el calor emitido por la caja de fuegos. Por otra parte la accesibilidad al interior est limitada, precisando poder entrar en la caldera para acceder al interior de la caja de fuegos, estas calderas son de dimensiones mayores


4. CALDERAS AQUOTUBULARESLas calderas aquotubulares son un tipo de calderas que se caracterizan porque por el interior de los tubos circula el agua, de manera natural o forzada, para generar vapor y por la parte externa circulan los gases de la combustin. Estas calderas trabajan a presiones altas y generan altos caudales de vapor. En ellas se debe tener especial control en la cantidad de agua ya que los tubos son de espesores moderados y si se quedan sin agua se pueden quemar o fallar trmicamente. El vapor que generan se utiliza para obtener trabajo mecnico en turbinas, aunque tambin producen vapor para usos auxiliares o de servicio.

4.1. Evaporacin nucleada y pelicular

La evaporacin que se produce en estas calderas es la evaporacin nucleada, de la misma manera que se ha explicado en las calderas fumitubulares, pero considerando la formacin de ncleos de vapor en la superficie interior del tubo. En algunos casos puede suceder, que por causa de un aumento indebido de la temperatura o por reduccin en la circulacin de agua (baja carga), el agua se evapore sin entrar en contacto con la superficie del tubo, de manera que se forme una capa o pelcula de vapor en toda la superficie interior del tubo. Dicho fenmeno se denomina evaporacin pelicular y es negativo puesto que, al impedir que el agua toque el tubo, el conducto pierde refrigeracin, por lo que puede alcanzar altas temperaturas y quemarse, produciendo un fallo en la instalacin. La

evaporacin pelicular puede ser evitada aumentando la cantidad de tubos en la caldera, es decir, aumentando la superficie de absorcin de calor, y reduciendo con esto la cantidad de calor que absorbe cada tubo. Otro mtodo es la realizacin de un fresado helicoidal en el interior del tubo con la finalidad de generar un movimiento de ascensin giratorio en el agua y que por fuerza centrfuga este agua entre en contacto con la superficie del tubo y absorba su calor.

Diagrama de evaporacin

El punto a es el punto triple que se encuentra en la presin crtica. En dicha presin el agua cambia de estado a vapor seco de manera instantnea. Por debajo de ese punto sufre un proceso de evaporacin a presin y temperatura constante con el que va aumentando el volumen especfico y disminuyendo la densidad, motivo por el cual se produce la ascensin del agua caliente frente la fra (conveccin). Existen determinadas calderas (Calderas Supercrticas) que trabajan a la presin crtica o superior. En ellas el modo de circulacin del agua se denomina circulacin Once Through. Hay ciertas calderas de circulacin forzada que pueden funcionar con circulacin Once Through pero normalmente en centrales trmicas y no en buques.


4.2. Tapas

Las tapas de cabezales y colectores se caracterizan porque van montadas Por la parte interna de la pared, de manera que cuando la instalacin est en funcionamiento la presin interna genera una fuerza sobre la tapa que hace la unin ms estanca. Para poderse montar en el interior las tapas y los orificios estn fabricados con una geometra

ovalada.

4.3. Paredes de agua

Las paredes de las calderas eran en un principio nicamente de ladrillo refractario, pero con el tiempo han Sufrido una evolucin de la que se destacan cuatro fases principalmente:

Pared de ladrillo refractario con dos capas de aislante por una parte, y por la otra los tubos vaporizadores separados unos 150mm.

Pared de ladrillo refractario con dos capas de aislante ms delgado por una parte, y por la otra los tubos vaporizadores separados unos 65mm.

Una capa de aislante por una parte y por la otra los tubos vaporizadores tangentes. En medio una placa de acero que retiene a los gases calientes producidos.

Una capa de aislante por una parte y, por la otra, tubos vaporizadores separados por tramos de placa de acero (membrana).

Las paredes y capas aislantes han ido evolucionando, des del primitivo cerramiento con material refractario (obra) hasta las membranas de tubos unidos por chapas. La funcin de las paredes aislantes es mantener la cmara de combustin aislada del exterior y evitar as las prdidas de calor. Se aplican en suelos, techos y paredes, manteniendo estanca dicha zona (hogar, horno) impidiendo a los gases escapar si no es por la chimenea. El material ms usado fue y sigue siendo el ladrillo refractario, es un material que soporta una gran cantidad de calor (generalmente recibida por radiacin). El problema del material cermico es que se desgasta de dos formas: por corrosin qumica proveniente de los elementos cidos de la combustin, y por la facilidad que tiene para resquebrajarse en presencia de vibraciones, dilatacin, etc.


Para proteger las paredes de ladrillo se comenzaron a utilizar revestimientos de tubos situados por delante. La funcin de los tubos (por los que circula agua) es refrigerar el material refractario, permitiendo alargar su vida til y (simultneamente) evaporar agua.Cada vez ms, los tubos se han ido colocando unos al lado de otros hasta tocarse, esto ha permitido reducir el espesor de las capas aislantes como de la propia pared de ladrillo, la cual incluso desaparece en los ltimos diseos, siendo substituida por las mallas de tubos que aslan y utilizan el calor para la produccin de vapor.Las paredes de las calderas se han construido recientemente usando tubos tangentes (unos con otros) e instalando (por detrs de ellos) una pared metlica para evitar la fuga de los gases. El ltimo avance ha sido construir las paredes (cerramientos) usando los propios tubos unidos entre s mediante chapas soldadas, ha este tipo de pared se le conoce como pared de agua o membrana y permite absorber todo el calor para generar vapor y aislar los gases del exterior. La pared de membrana permite prescindir del ladrillo, un material demasiado sensible a los cambios de temperatura y deformaciones. A dems, este tipo de pared permite ser montada fuera de la caldera, haciendo de la construccin de esta mquina un trabajo ms cmodo, puesto que el peso de la misma se aligera en gran medida. Lo queramos o no, el material refractario es an imprescindible en los suelos de las cmaras de combustin. La funcin en estas zonas es proteger a los tubos evaporizadores porque estos (en la mayora de los diseos) permanecen demasiado horizontales y precisan de proteccin contra el calor, disminuyendo el riesgo de evaporacin pelicular.

4.4. QuemadoresPor tradicin, los quemadores siempre se han instalado horizontalmente aun siendo para combustibles lquidos o gaseosos. La optimizacin del espacio en el buque (cmara de mquinas) ha obligado a los fabricantes a instalarlos verticalmente ya que las formas y volmenes de popa as lo requieren. Existen calderas de hasta 4 o incluso 5 quemadores dispuestos verticalmente, a dems, esta posicin permite a las llamas alargar su recorrido, pudiendo as mejorar la combustin antes de ser succionadas por los tubos. El alargamiento de las llamas es posible si alargamos el diseo del quemador, pero esto solo es viable (en un buque) en el eje vertical al ser la altura de la sala de mquinas una dimensin mucho ms benevolente que la manga o la eslora (petroleros y gaseros generalmente).

Caractersticas del vapor de agua (Entalpa) La Entalpa es el contenido energtico total de un fluido, en este caso el agua o vapor. Tanto sea aumentando la temperatura del agua como absorbiendo calor (a temperatura constante para cambiar de estado) se consigue variar su entalpa. Segn la temperatura y presin, a la que estemos evaporando el agua, el incremento entlpico total variar segn estos dos parmetros. Es decir, tendremos que aportar ms o menos calor segn cul sea la presin y por tanto temperatura del agua para que esta se evapore, ya que a cada presin le corresponde una temperatura nica de evaporacin. A ms presin, ms sube la temperatura de evaporacin del agua y menos aporte de calor hay que invertir para obtener vapor saturante, aunque tendremos que aportar ms trabajo

(en bombas) para elevar la presin. Eso quiere decir que las calderas tienen que trabajar cada vez ms, a presiones y temperaturas elevadas para aumentar su rendimiento, pues es as como se minimiza el aporte de calor en el paso de lquido a vapor. Cuanto mayor es la presin mayor es la temperatura de evaporacin y, por tanto, menor el aporte calorfico necesario para evaporar el agua, pero mayor debe ser el aporte de calor para calentarla hasta su temperatura de evaporacin (en el economizador) y calentamiento posterior (una vez en el recalentador).As que, en calderas de baja presin necesitaremos mucha superficie de contacto (bastante potencia) para gasificar el fluido, empleando as evaporizadores muy grandes, puesto que el incremento entlpico necesario a baja presin crece, pero en cambio los recalentadores y economizadores debern ser ms pequeos, porque a baja presin no cuesta tanto elevar su temperatura. Y en calderas de alta presin ocurre lo contrario, el vaporizador es mucho ms pequeo y los recalentadores y economizadores ms grandes (60kg/cm2) ya que a estas presiones es difcil subir la temperatura, tanto del agua como del vapor ya completamente saturado.Es por todo esto que en las calderas de quemadores verticales, cuya presin de trabajo suele ser muy elevada (usadas en plantas propulsivas) desaparecen los grandes bosques de tubos y solo son vaporizadores las paredes, techos y suelos del quemador. Esto tambin se debe a que alargando la caldera verticalmente, se aumentan las superficies de las paredes, prescindiendo de los haces de tubos. Y al tener membranas todo el calor se aprovecha mejor. Es digno de mencin que ni las paredes de membrana, ni las


altas presiones de trabajo, o la disposicin vertical de los quemadores, entre otros ejemplos, han sido caractersticas constructivas permanentes, sino que han sido soluciones que a lo largo de la historia de las calderas han resuelto grandes problemas de ingeniera propulsiva.

4.5. Calderas de Circulacin natural

Las calderas de circulacin natural se caracterizan porque el flujo de agua ascendente generado en los tubos vaporizadores se forma de manera natural a causa de la variacin de densidad, que disminuye con la temperatura. Para facilitar este flujo en las calderas de circulacin natural se deben minimizar las prdidas de carga que pueden ser originadas por la velocidad del flujo, el dimetro del conducto y la disposicin de los tubos.

Por este motivo la disposicin de los tubos en este tipo de calderas es vertical, evitando los giros. En estas calderas se deben distinguir tres partes principales, los vaporizadores, los recalentadores y los economizadores, aunque forzosamente solo deben estar los vaporizadores como protagonistas.

4.5.1. Caldera general tipo d:

Este es un tipo general de caldera en d de circulacin natural, que precede a las variantes ms actualizadas de su clase. En todo caso, la caracterstica comn, entre generaciones, es que siempre van acompaadas de otra caldera igual colocada de manera simtrica respecto al eje M-N (plano de cruja). Las partes principales de esta caldera son:

a) Cmara de combustin: La combustin en esta caldera se realiza por medio de la inyeccin de un chorro de combustible pulverizado a presin. Este combustible se quema en el aire y los gases generados son arrastrados por la corriente pasando por los haces tubulares de tubos vaporizadores cediendo en ellos su calor, aunque bsicamente los tubos evaporadores reciben calor de la llama, es decir, por radiacin.

b) Pared de agua: Tubos laterales que funcionan como tubos vaporizadores y evitan el calentamiento excesivo de las paredes laterales de la caldera y el suelo de la cmara de combustin.

c) Economizador: El economizador es un elemento formado por un conjunto de haces tubulares en el conducto de salida de los gases (chimenea). Estos haces tubulares son aleteados para captar mejor el calor por conveccin. Por el interior de los tubos pasa el agua de alimentacin de la caldera que se calienta hasta una temperatura cercana a la de evaporacin.

d) Calentador de aire: Elemento formado por un conjunto de haces tubulares situado en la parte ms externa de la salida de gases. Por su interior circula el aire que entra en la caldera, para la combustin y circulacin interna, impulsado por ventiladores.

e) Recalentador de vapor: Si se necesita vapor seco (vapor utilizado en turbinas) se debe recalentar para evitar tener agua mezclada. La situacin del recalentador es tras la tercera columna de tubos vaporizadores que reciben la radiacin directa de la llama. La disposicin de los tubos se denomina al tresbolillo.

f) Evaporacin en los tubos de pared de agua del suelo: Para evitar la evaporacin pelicular y que se produzca evaporacin nucleada demasiado lenta en los tubos que forman el suelo de la pared de agua se pueden disponer de manera inclinada facilitando la ascensin de las burbujas de vapor que se generan. Por otra parte tambin se pueden proteger estos tubos por medio de una capa de ladrillo refractario que evite el aumento de temperatura indebido en los tubos.


g) Inclinacin en las paredes internas/externas: Las paredes se inclinan con la finalidad de mejorar la circulacin de gases interna a la caldera y facilitar la transferencia de calor.

h) Apoyos: Estas calderas van apoyadas de manera fija por un extremo y por el otro estn dotadas de una unin en forma de gua con patines que permite cierto movimiento que puede ser debido a las dilataciones que se producen.

4.5.2. Sistemas de control de la temperatura del vapor

4.5.2.1. Con atemperador

Caldera Foster Wheeler ESD

Este sistema se caracteriza porque el recalentador est dividido en dos fases (1,2) y est situado en el conducto de salida de los gases (lugar habitual). Entre las dos fases del recalentamiento el vapor es conducido (sin opcin) des del primer Recalentador (1) al Atemperador convectivo (3). El Atemperador est formado por un conjunto de haces tubulares que permiten el intercambio trmico entre el vapor seco y el aire fresco de entrada, que est situado en el conducto de alimentacin de aire de la caldera. El conducto est dividido en dos partes (4,5) que se alimentan del mismo aire de entrada y en una de ellas est situado el Atemperador.

Unas vlvulas sincronizadas en la entrada de cada una de las partes controlan el paso de aire entrante hacia una o la otra admisin, de manera que se puede regular la cantidad de calor que se cede del atemperador al aire. Cabe decir que el calor que pasa del vapor al aire no se pierde puesto que aumenta la temperatura del mismo, que posteriormente se utiliza para la combustin y se transforma en gases


trmicos.

Las dos fases de recalentado se podran reducir a una, pero se hace en dos para evitar la disminucin excesiva de la temperatura y el condensado del agua que podra daar los componentes de la turbina, obteniendo as vapor seco de manera segura (a ms o menos temperatura segn la apertura de las charnelas).

Caldera Kawasaki BDU

El sistema de control trmico que incorpora esta caldera es parecido al anterior, es un

sistema de recalentador dividido en dos fases, pero aqu entre las dos fases el vapor seco tiene dos opciones: La primera, camino directo, es pasar del primer Recalentador al Atemperador que en este caso est situado en el interior del colector superior. Y la segunda, controlada por una vlvula, es pasar directamente a la segunda fase de recalentado donde antes se mezcla (obligatoriamente) con el vapor que sale del Atemperador. De esta manera en funcin de la apertura de la vlvula se controla la temperatura del vapor.

Se debe saber que las prdidas de carga que se producen en el paso por el Atemperador son muy superiores a las que se producen con el paso directo por la vlvula. Por esto tras la vlvula se monta una reduccin que iguala las prdidas de carga. En el colector inferior hay un pequeo atemperador para la generacin de vapor auxiliar.


Sistema de control general con atemperador

El vapor generado en el colector superior pasa al recalentador. En la salida del recalentador el vapor tiene dos opciones: La primera, camino directo es dirigirse al atemperador y la segunda es el paso a travs de una vlvula de control que lo dirige al conducto de salida. El vapor que se ha enfriado en el

Atemperador se dirige posteriormente al conducto de salida, mezclndose con el que no lo ha hecho. De esta manera controlando la apertura de la vlvula de control (paso de vapor sin enfriar) se controla la temperatura del vapor de salida.


4.5.2.2. Por inyeccin de agua

Este sistema se basa en la inyeccin de agua pulverizada por medio de unos inyectores en el interior del conducto de vapor recalentado. En funcin de la cantidad de agua inyectada se puede regular la temperatura del vapor cuando ste no se ha enfriado lo suficiente. La superficie interna del tubo est protegida por medio de unas camisas que evitan la erosin de la superficie del mismo. Estas camisas son fijas, no se pueden cambiar. Tras los inyectores existe un estrechamiento con la finalidad de que se produzca la mezcla total del vapor y el agua.

Nota: ste sistema es aplicable a cualquier caldera.

4.5.2.3. Sin atemperador

Caldera Foster Wheeler ESD II

El sistema que incorpora esta caldera se basa en la divisin del conducto de escape de gases en dos partes. En una de ellas se sita la unidad de control que son un conjunto de haces tubulares por el interior de los cuales pasa el agua de alimentacin. En la otra se sita el recalentador de vapor (que trabaja por conveccin).

En la parte superior un juego de vlvulas regula el paso por una u otra parte de manera que se recalienta ms o menos vapor. El calor de los gases que no pasan por el recalentador no se pierde ya que calienta el agua de alimentacin hasta una temperatura cercana a la de evaporacin.


Nota: esta caldera es un primer ejemplo, en el apartado 4.5.5. Avances aparecen ms calderas con y sin atemperadores.

4.5.3. Temperatura en funcin de la carga y absorcin: Estabilidad

Debe tenerse en cuenta que el evaporador no recalienta el vapor, si la caldera est bien diseada. Luego, los tubos evaporadores (que trabajan mayormente por radiacin) solo evaporan el agua a la temperatura justa de evaporacin (correspondiente a la presin de trabajo de la caldera) obteniendo vapor saturado. Un vapor, que si es preciso, se recalienta en mayor o menor cuanta.

Sea cual sea la demanda de potencia (carga) que solicitemos a una caldera, sta debe suministrarnos vapor siempre a la misma temperatura y presin de trabajo, tericamente independientemente del caudal de vapor demandado por el sistema. Esto se consigue mediante los sistemas de control de temperatura instalados en la propia caldera (vistos anteriormente) que si no existieran, suministrara vapor a temperaturas no constantes. Esto ocurre porque, dada la superficie fija del recalentador, la cantidad de calor absorbido por el vapor circulante es funcin de su velocidad o carga segn tambin del tipo de recalentador del que estemos hablando (de conveccin o radiacin).

Si el recalentador est situado por delante de los tubos vaporizadores, ste trabajar por radiacin trmica. En ste caso el calor incidente sobre el recalentador se mantiene constante, sino es porque la llama cambie de tamao. Debido a esto, los tubos siempre reciben la misma potencia y, a mayor velocidad del vapor (por incremento de carga) menor temperatura absorbe el vapor y viceversa. Es pues una situacin arriesgada, ya que si circula vapor a excesiva carga el conducto se recalienta.

En las calderas con el recalentador de conveccin (situado detrs de los evaporadores) la demanda de vapor tambin puede ser variable, y as la velocidad con la que fluye por el interior del recalentador. Eso significa que a mayor carga de vapor, mayor tendr que ser el flujo de gases quemados que cedan calor al recalentador. Con esto se garantiza que el vapor, por mucha demanda que haya, reciba el calor necesario para mantener, y en la prctica, subir su temperatura haciendo pasar ms o menos gases calientes por el recalentador, es decir, quemando ms o menos combustible (segn la demanda de vapor seco y la temperatura a la que queramos que salga de la instalacin). El calor que los gases quemados ceden al vapor se determina por la diferencia de temperatura que experimentan al pasar por el recalentador y la velocidad con la que entran y salen del mismo:

Q = m C (Ts-Te) (W/Kg)


Donde: Q = calor cedido por los gases quemados al vapor, m = flujo msico de gases quemados que atraviesan el recalentador, C = calor especifico de los gases quemados, Te = temperatura del vapor al inicio del recalentador y Ts = temperatura del vapor una vez abandona el recalentador. Es decir que a mayor velocidad de los gases calientes y mayor diferencia entre sus temperaturas, mayor energa (calor) cedern al vapor.

As que, con este segundo mtodo la demanda de vapor solicitada influir directamente sobre la cantidad de combustible que se tenga que quemar, asegurando (en cualquier caso) la temperatura del fluido. El problema es que (a nivel prctico) no se puede estar constantemente regulando la cantidad de combustible en los quemadores a fin de adecuar el calor cedido al vapor. Por este motivo, se puede hacer un mayor control de la temperatura final del vapor si solapamos los dos sistemas de cesin trmica (la conveccin con la radiacin) obteniendo una temperatura del vapor ms estable para cualquier porcentaje de carga. Esto se consigue: bien poniendo un recalentador que absorba por igual tanto por radiacin como por conveccin, o instalando dos recalentadores en la caldera, uno de radiacin y otro de conveccin. Aunque la mejor solucin es poner solamente un recalentador de conveccin y controlar la temperatura mediante la mezcla de vapores (sistema habitual). Esta solucin es la ms factible ya que los recalentadores de radiacin absorben (en muchos casos) demasiada potencia.La presin de trabajo de la caldera depender de la cantidad de vapor generado en ella y la cantidad de vapor ser funcin de la demanda del sistema. Por ello, a partir de la presin del vapor, los automatismos regulan la entrada de ms o menos combustible a los quemadores. Aunque existe otro sistema de regulacin del combustible que parte de la cantidad de vapor (Kg/s) que solicitemos a la caldera.

4.5.4. Recalentadores de conveccin y radiacin

La temperatura en el quemador y con la que trabajan los tubos vaporizadores suele rondar los 1100c. En las primeras calderas d los recalentadores tienen que soportar esas temperaturas pues se alojan entre los haces vaporizadores. Esto es un problema porque por el interior de los tubos de recalentado siempre pasa vapor seco (con un coeficiente de conveccin muy bajo) y disminuye mucho la refrigeracin de los mismos. Esto puede causar que los tubos se deformen permanentemente, se agujereen, o quemen. Las grandes temperaturas en esta zona tambin perjudican a los soportes que aguantan los recalentadores, ya que no tienen posibilidad de refrigerarse de ninguna forma. Esto obliga a utilizar aceros de alta aleacin, el acero al carbono pierde propiedades ante estas condiciones de trabajo.

As que, el mayor problema con estas calderas es que al poner el recalentador en una zona de alta temperatura, s, se consigue disminuir la superficie por el gran salto trmico, pero, al pasar slo vapor puro por los recalentadores, estos no se refrigeran y corremos el riesgo de que se quemen y los soportes que los aguantan puedan fallar en cualquier momento. La solucin a este problema de diseo es situar los recalentadores detrs de los tubos vaporizadores, en una zona donde la temperatura ronda los 700c. Esto permite, tanto a las sujeciones como a los conductos recalentadores de vapor, no sufrir tanto a efectos de resistencia del material usado.Respecto al reparto de superficies de transmisin de calor, en las calderas tradicionales d, los vaporizadores han pasado del 27% al 5% de la superficie total en la instalacin. Esto es debido a que, al desplazar los recalentadores hacia tras, los vaporizadores son los nicos tubos que absorben todo el calor proveniente de la llama, obligndolos a disminuir su superficie. Esto no es ningn problema para los tubos vaporizadores ya que, por dentro de ellos, pasa el agua evaporndose (coeficiente de conveccin muy alto). Adems, los soportes que aguantan a los tubos vaporizadores no sufren los efectos del calor, pues no existen; los vaporizadores son tubos que van unidos (por los extremos) en el colector superior e inferior mediante soldadura o mandrilado, o bien son parte de las paredes de agua. Los economizadores pasan del 38 al 53% (de las calderas anteriores a las actuales d) y los recalentadores del 7 al 14% respecto a la superficie total, esto se debe a que, tanto uno como el otro, slo absorben calor por conveccin y adems lo hacen en zonas ms fras. El aumento de la superficie de estos


dos ltimos elementos se debe tambin al incremento de presin en los diseos actuales (para el aumento de potencia).Existen dos posibles situaciones donde colocar los recalentadores en una caldera (delante de los tubos evaporadores o detrs) y tambin dos disposiciones o formas en las que un recalentador se puede construir, dependiendo de la posicin dentro de la caldera.

a) Recalentador delante (absorcin por radiacin). Aqu el recalentador no son serpentines sino tubos largos y rectos puestos vertical u horizontalmente (uno al lado del otro) actuando como cabezales. A los cabezales horizontales se les montan tubos recalentadores verticales y a los cabezales verticales tubos recalentadores horizontales. Los cabezales (por dentro) estn compartimentados, separando la entrada de la salida de cada tubo recalentador.Los cabezales deben ser lo suficientemente anchos para poder mandrilar o extraer los tubos picados.

Cabezales horizontales y tubos verticales Cabezales verticales y tubos horizontales.

b) Recalentador detrs (absorcin por conveccin). Aqu se usan los serpentines puestos en paralelo, este tipo de recalentador acoge mucho mejor el calor por corriente de aire respecto a los simples tubos.

4.5.5. Avances (Calderas con y sin recalentamiento intermedio)

Los principales avances que se han producido en las calderas son:

Aplicacin de las paredes de agua o membranas, ganando ms tubos evaporadores en relativamente poca superficie (optimizacin del espacio).

Quemadores en la parte superior. La finalidad de cambiar la situacin de los quemadores es hacer llegar la misma cantidad de calor a todos los vaporizadores.

Inclinacin de los suelos de las paredes de agua con el fin de evitar la evaporacin pelicular. Reduccin notable del numero de haces de tubos vaporizadores, puesto que se aprovecha mejor

el calor de los gases de escape, aumentando la superficie de economizador y recalentador para trabajar a altas presiones.

Instalacin de recalentadores intermedios para trabajar a altas presiones sin exceder de la temperatura crtica de los materiales.

Ejemplos sin recalentamiento intermedio:


Caldera Foster Wheeler ESD III

Las caractersticas particulares de esta caldera son el calentamiento del aire de alimentacin as como la reduccin del tamao del colector inferior por causa de la reduccin del nmero de tubos vaporizadores que le llegan.

Caldera Foster Wheeler ESD III laster type

Las caractersticas particulares de esta caldera son el aumento de inclinacin de los suelos, tiene paredes de agua en todo el alrededor de la caldera, y el recalentador est dividido en dos tramos, uno en la parte superior y el otro en la inferior. En medio del recalentador hay un tramo de Atemperador situado en el colector superior.


Caldera Foster Wheeler ESD IV

En este modelo de caldera se sigue acentuando la inclinacin de los suelos, desaparece la proteccin de refractario, y se reduce el tamao del colector inferior a causa de que la mayora de tubos de cada van a parar a un conducto inferior de la pared de agua (cabezal). A dems solo est dotada de pared de agua en uno de los laterales (cmara de combustin). Los quemadores estn dispuestos en lnea en la parte superior (1) e incorpora un economizador.


Ejemplos con recalentamiento intermedio:

Trabajando a altas presiones, si no se puede recalentar de una vez el vapor, bien porque el recalentador no le aporta el suficiente salto trmico o porque hay riesgo de condensacin en la salida de la turbina de baja presin, es necesario emplear dos recalentamientos: uno para la turbina de alta presin y otro para la de baja. Estas calderas operan pues con un ciclo de dos recalentamientos en condiciones de trabajo normales. El problema de estas calderas (a efectos de diseo) es que hay que tener cuidado con la refrigeracin de alguno de los recalentadores, en especial, el secundario. El recalentador principal (de alta presin) siempre est trabajando y, segn la demanda final de vapor, se evita que se queme enfriando previamente el vapor mediante los atemperadores. En cambio, si la demanda de vapor baja porque, por ejemplo, las turbinas se paran, deja de circular vapor por el recalentador secundario (de baja presin) impidiendo que este se refrigere y fallando al instante. Otro hndicap que presenta el recalentador intermedio es que, adems de necesitar un flujo de vapor constante para refrigerarse, desarrolla mucha superficie (pues ocupa mucho volumen por trabajar con vapor expandido) y en seguida absorbe mucho calor. En cualquiera de las calderas d, para solventar la falta de refrigeracin en el secundario (cuando la demanda de vapor recae) no queda otra que utilizar un sistema que permita disminuir el flujo de calor en los alrededores del recalentador. Para ello se efectan algunas modificaciones en la redireccin de los gases calientes en la zona convectiva del sistema, para ello se divide la caldera en dos zonas: en la primera residen los recalentadores primarios, su funcin es recalentar el vapor prominente del colector superior y mandarlo a gran temperatura hacia las turbinas de alta presin. Es importante mencionar que, antes de hacer salir de la caldera al vapor seco, este se manda a un controlador de temperatura donde se mezcla (en mayor o menor mesura) con otro vapor seco ya enfriado en el atemperador (situado dentro del colector superior). Esto se hace para regular la temperatura de salida del vapor demandado (segn las condiciones de trabajo solicitadas) en la turbina de AP.En la segunda zona se disponen los recalentadores secundarios, su funcin es volver a calentar el vapor recin expandido en la primera turbina (de alta presin). En condiciones normales (avante toda) el recalentador secundario est completamente rodeado por los gases quemados, absorbiendo calor de ellos y transmitindoselo al vapor expandido. Pero cuando la demanda de vapor baja (marcha moderada, fondeo o atraque) el recalentador secundario, que no tiene ningn sistema de refrigeracin ms que el suyo propio, empieza a recalentarse ya que no circula vapor por su interior. De aqu la utilizacin de la segunda zona, que perdura semiaislada de la primera por una pared de agua (malla) y cuya funcin en estos casos es evitar que los gases quemados entren deliberadamente en ella, evitando calentar (por seguridad) a los tubos del recalentador. Esto se consigue cerrando las charnelas de la segunda regin e introduciendo aire forzado por una compuerta, empujando a los gases hacia la primera zona por medio de la esclusa inferior practicada en la separacin. Adems el aire entrante se mezcla con los gases, enfrindolos y disminuyendo la temperatura interna de la caldera.


Ahora bien, cuando la demanda de vapor es la normal, las grampas de la segunda cmara permanecen abiertas, dejando a los gases calientes fluir libremente por ella, pero sin dejarlos escapar por la compuerta inyectora de aire pues esta persiste cerrada durante dicha situacin. Para obtener un flujo de gases equilibrado entre ambas zonas es menester (en situacin libre) mantener semiabierta o semicerrada (segn como se mire) las compuertas de la primera regin; haciendo esto se obtendr un funcionamiento (por parte de los recalentadores) apropiado.Es digno de mencin que, como en todas las calderas d, el agua de alimentacin se calienta gracias a los economizadores y se obtiene vapor de alta presin cuando, seguidamente, se introduce en los vaporizadores (por medio del colector inferior). Los economizadores aprovechan los gases de la combustin y el resquicio de calor que contienen para calentar el agua entrante en la caldera. Cuando la instalacin opera a baja potencia el aire entrante impulsa a los gases mezclndose con ellos, aumentando el flujo msico y manteniendo el aporte total de energa en los economizadores, a pesar de haberlos enfriado.

Caldera Foster Wheeler ESRD

La caracterstica principal de esta caldera es que est dotada de un sistema de recalentamiento intermedio del vapor. La finalidad del recalentamiento intermedio es la de poder realizar expansiones con vapor seco trabajando a presiones elevadas. Para conseguir expansiones con vapor seco se realiza un primer recalentamiento del vapor (que puede realizarse en dos etapas). En la primera fase de recalentamiento se consigue relativamente poco aumento de la temperatura, ya que al trabajar a presiones altas la temperatura del vapor, antes de recalentar, es ya peligrosamente cercana a la temperatura crtica (temperatura lmite que puede alcanzar el vapor, por causas tcnicas como materiales, etc.). Por este motivo cuando se expansiona el vapor tarda poco en entrar en la campana y volverse vapor hmedo. Para evitarlo, una vez realizada esta primera expansin se recalienta el vapor, aumentando su temperatura y se realiza una segunda expansin, ms alejada de la campana y que no llega a entrar en la misma hasta el final.

Para la expansin en este tipo de sistemas se utilizan dos tipos de turbinas, la de alta presin para la primera expansin del vapor y la de baja presin para la segunda. El vapor que sale de la turbina de alta presin est expansionado, es decir, ha aumentado su volumen especfico. Por este motivo la segunda fase de recalentamiento o recalentamiento intermedio est formada por un conjunto de haces tubulares de mayores dimensiones. Esta es la causa de que el colector superior est posicionado a mayor distancia de la cmara de combustin respecto a las anteriores calderas.


El agua entra en la caldera por medio del conducto de alimentacin. De ah pasa al economizador normal, en la salida de gases, (5). Despus pasa por el economizador secundario o de bypass (4) y de ah pasando por los tubos vaporizadores llega al colector superior (6). En el colector superior se separa el vapor del agua y el vapor pasa al recalentamiento primario que est dividido como se ha dicho en dos fases.

Despus de pasar por la primera fase (1) el vapor puede seguir dos direcciones: la primera es dirigirse al conducto de salida donde se conduce hacia la turbina de AP, la segunda es pasar por el Atemperador (9) situado en el colector superior y de ah realizar la segunda fase de recalentador primario (2) mezclndose a la

salida con el vapor que no ha pasado por el Atemperador y controlando de esta manera la temperatura del vapor.

Una vez realizada esta fase el vapor pasa a expansionarse a la turbina de AP. El vapor que sale de esta turbina pasa al recalentamiento secundario o intermedio (3) y de ah finaliza su expansin a la turbina de BP. Los gases trmicos de la combustin que se producen en la zona (a) de la caldera pasan a la zona (b) para ceder su calor a los conductos y generar vapor. En funcin de si estn funcionando las turbinas de avante puede ser prescindible el recalentado de vapor por lo que el circuito que realizan los gases en el interior de la caldera es variable.

*Flujo de gases trmicos con funcionamiento de las turbinas de avante

Los gases trmicos entran en la zona (b) de la caldera. Una vez ah pueden seguir dos caminos. En el primero se pasa por la zona de la primera fase de recalentamiento primario (1) y por el economizador de bypass (4) y en el segundo por la segunda fase del recalentador primario (2) y por el recalentador intermedio (3). La cantidad de gases que pasan por un conducto u otro est gobernada por un juego de vlvulas (grampas) situadas en la parte superior (7,8) y para este modo de funcionamiento la vlvula de entrada de aire (6) debe estar cerrada.


*Flujo de gases trmicos sin funcionamiento de las turbinas de avante

Los gases trmicos entran en la zona (b) de la caldera. Una vez ah pueden seguir un camino que consiste en pasar por la zona de la primera fase de recalentamiento primario (1) y por el economizador de bypass. Esto pasa porque la vlvula de aire (6) est abierta con lo que entra aire impulsado por ventiladores que genera una corriente descendente ya que la vlvula superior (8) est cerrada. De esta manera los gases de la combustin estn forzados a pasar por el primero de los caminos de los que antes se han explicado evitando as el recalentamiento intermedio.


Caldera Babcock MRR

Esta caldera est dotada de un recalentador intermedio como la anterior. En ella tambin se puede observar la diferencia de altura del colector superior (1), las grampas de gobierno de paso de gases (2), la cmara de combustin (3), tubos de cada (4) y dems partes de la caldera.

Caldera V2M-9

Esta caldera se caracteriza por la proximidad entre los dos colectores. El acercamiento de los colectores se realiza con la finalidad de reducir la longitud de los tubos vaporizadores. Esto interesa para evitar la rotura de los mismos, en el supuesto de que entren en resonancia, a causa de las vibraciones que se producen en el barco (hlice, motor, turbomquinas, etc.).

Estos tubos estn fijos nicamente en sus extremos a los colectores inferior e superior. La fijacin de la caldera al buque es aproximadamente a la altura del colector inferior y la parte inferior de la misma queda colgando por debajo de la cubierta a la que vaya montada. Los quemadores estn situados en el lateral izquierdo inferior. Existe alguna variante de esta caldera con los quemadores situados en las esquinas, produciendo as un torbellino que mejora la conveccin y transmisin de calor.


4.5.6. Los gases de escape

Podramos absorber todo el calor a los gases quemados pero no se puede, primero porque es fsicamente imposible y segundo porque, si lo hiciramos, los gases no subiran por la chimenea. Los gases quemados ascienden por el ltimo tramo de la instalacin (por la chimenea) ya que estn calientes y, por su menor densidad en relacin a la del aire, suben (escapando a la atmsfera). El problema es que el fuel (combustible normalmente utilizado) contiene un alto porcentaje en azufre, y cuando lo quemamos, este se combina con el oxgeno dando lugar al cido sulfrico, pues el fuel contiene tanto SO2 (anhdrido sulfuroso) como SO3 (anhdrido sulfrico) cuando tiene algo ms de oxgeno. El cido sulfrico de la combustin permanece en estado gaseoso y no es demasiado corrosivo, ahora bien, cuando se condensa llega a ser un elemento fatal para los materiales y sistemas de la instalacin (serpentines, soportes, chapas). Dependiendo del grado de roco (punto de condensacin) tenemos que vigilar con la temperatura de los gases quemados y la concentracin de cido sulfrico para evitar que estos condensen antes de ser expedidos. La temperatura o punto de roci del cido se establece en torno a los 150c y dependiendo de la humedad, presin, puede variar; por este motivo expulsamos los gases a, ms o menos, esta temperatura, sin acabar de aprovechar su calor (valga la prevencin).Nota: cuando el cido sulfrico precipita en forma de lquido sobre el acero, se pueden observar sobre las chapas puntitos o manchas verdes que derivan en puntos crticos a efectos de corrosin.As que, es muy importante cuidar (controlar) el intercambio de calor total con los gases (prominentes de la combustin) a fin de no enfriarlos demasiado y dar lugar a cido sulfrico (holln) en el interior de la caldera, esto alargar la vida til de los economizadores, recalentadores y dems tiles esenciales en la instalacin. El buen reparto de la absorcin de calor en una caldera depende de la disponibilidad de la instalacin y de la temperatura de los gases de combustin, ms que de la presin y temperatura del vapor circulante. Adems, las superficies de absorcin, tanto del evaporador, recalentador como economizador, son funcin del tipo de transferencia (radiacin o conveccin).Existen calderas cuyo suelo hace pendiente y la zona ms baja est protegida con un cemento (material cermico) que acoge a los residuos de la combustin, entre ellos el cido. sta pendiente adems permite una mayor circulacin del vapor generado en la malla del suelo.

4.5.7. Guerra de calderas y motores (Desarrollo tecnolgico)El desarrollo de las calderas fue impulsado en la segunda guerra mundial, cuando las instalaciones de vapor empezaron a verse amenazadas por los modernos motores de combustin interna alternativos. En los aos 60 se impusieron (como algo ms rentable internacionalmente) los grandes petroleros montando en sus cmaras grandes calderas de vapor de alta presin, aunque por otro lado, el transporte de pasaje transatlntico empez su declive a partir de la popularizacin del transporte areo. Al principio, los motores de combustin interna se empleaban solamente para barcos relativamente pequeos, pues no entregaban demasiada potencia y las calderas de vapor subsistan en barcos de alta velocidad que requeran mayores potencias propulsivas.Pero ya en aquel entonces, los fabricantes de motores diesel experimentaron un gran avance a efectos de rendimiento, desplazando al vapor. Los motores de combustin interna (tradicionalmente) siempre han sido mucho ms eficientes y de consumo inferior. Esto motiv a los fabricantes de calderas a mejorar sus diseos y no perder sus cuotas de mercado ante la invasin del nuevo motor. Esto hizo que las calderas subieran las presiones de trabajo y temperatura, hacindolas ms eficientes, menos voluminosas, consiguiendo mayor competitividad, hasta llegar a la caldera en d con recalentamiento intermedio (subiendo aun ms la presin del vapor).Subir la presin implica poder hacer las turbinas ms pequeas, reducir el tamao de las calderas, disminuir el volumen de la cmara de mquinas, etc. An y as, se pudo ver que las calderas no tenan nada que hacer con los motores (en relacin potencia/consumo) desplazndolas a la propulsin solamente de los metaneros, las cuales queman gas que de otra forma se debera de tirar. Otra aplicacin actual de las plantas de vapor es la del accionamiento de turbo bombas para los petroleros y calentar el crudo (calderas sin recalentador).Si se eleva la presin la temperatura de evaporacin tambin se eleva. Si este vapor se quiere aplicar para turbinas es necesario que no condense fcilmente cuando estas lo expandan, por ello se tiene que recalentar, pero se tiene que aplicar mucha energa en el recalentamiento de este vapor pues su temperatura de evaporacin es muy alta, teniendo que invertir mucho calor para subirla a un mas y conseguir vapor seco para las turbinas. Otro problema es que si la temperatura de evaporacin, a causa de la presin de trabajo, ya ronda la temperatura critica del material del que estn construidas las turbinas (515c) estas deben construirse con materiales aleados, aumentando el coste de la instalacin. La solucin a esto es utilizar turbinas con un recalentamiento efectuado en dos pasos:


1) Recalentar el vapor saturado de alta presin (generado en el vaporizador) obteniendo vapor seco de alta presin (ideal para la primera turbina).

2) Extraer el vapor ya expandido (saliente de la primera turbina) y recalentarlo en el recalentador de baja presin hasta los 500 grados centgrados.

3) Este vapor se enva hacia la turbina de baja presin y esta lo acaba de expandir hasta casi condensarlo en su salida.

Este tipo de caldera requiere un segundo recalentador muy voluminoso, pues el vapor ya expandido que sale de la primera turbina ocupa mucho ms volumen que el primero. Como se puede deducir, estas calderas necesitan mucho mantenimiento y su construccin es cara, hechos que justifican su poca utilidad, propulsivamente hablando.

4.6. Diseos especiales (para usos auxiliares)

Caldera con doble vaporizacin

Este tipo de caldera est diseada especialmente para petroleros. Se caracteriza por la generacin de vapor que pasando por un conjunto de serpentines calienta el crudo para que pueda ser trasegado. En calderas convencionales puede suceder que en los serpentines que atraviesan el crudo se produzcan filtraciones de petrleo, y si se pincha un tubo y la presin de la columna de petrleo (en el tanque) es superior que la del tubo, el crudo pasa a circular por el interior de los conductos, y puede sedimentarse en determinados puntos, como en la zona de recepcin de la llama de la cmara de combustin, y producir el impedimento del paso de calor des del tubo vaporizador hacia el agua quemndose a corto plazo.

Para evitar que esto suceda existen, en las calderas convencionales y en la de doble vaporizacin, sistemas de control visual para saber el estado del agua en cada momento, y aun as es probable que se produzcan este tipo de fallos. La caldera de doble vaporizacin se caracteriza bsicamente porque est dotada de dos sistemas de generacin de vapor. El primero de ellos es un circuito interno de la caldera con el que se genera vapor por medio de los tubos vaporizadores y dos colectores, a partir de la recepcin de calor de los gases de la combustin (sistema convencional). Este vapor sube a un tercer colector superior, formado por un domo, y all cede su calor al agua por medio de un sistema de serpentines, el vapor se condensa y cae de nuevo, en forma de agua, al segundo colector (colector inferior). El calor cedido produce una nueva evaporacin en el colector superior (domo) que pasa por el segundo circuito dirigindose a la zona del crudo y cediendo ah su calor para que este pueda ser manipulado. Adems el vapor de servicio puede ser ms o menos recalentado (segn el grado de apertura del paso directo). Esto se hace para solventar las prdidas de calor que sufre el vapor, a lo largo de la instalacin, antes de llegar a los serpentines o calentadores de fuel.


De esta manera si se producen filtraciones de crudo solamente podrn estar en el segundo circuito al cual la generacin de vapor no se produce por la radiacin directa de la llama ni por los gases de la combustin, por lo que los tubos no se queman.

Calderas de circulacin forzada para uso auxiliar ( Caldera La Mont) Estas calderas se suelen utilizar en barcos donde el espacio en altura est limitado (ferris, rolos) ya que la circulacin forzada permite compactar mucho la caldera, normalmente para usos auxiliares. Estas calderas permiten poder apartarnos de los tubos vaporizadores verticales o diagonales, reemplazndolos


por tubos horizontales de pequeo dimetro y aumentando el nmero de tubos haciendo muchas ms curvas (de poco radio). Todo esto implica que las prdidas de carga aumenten, por eso el flujo de agua debe forzarse a circular por los vaporizadores. A dems, si utilizamos estas calderas a altas presiones la diferencia de volmenes especficos del lquido y vapor se reduce y el movimiento natural por los tubos de cada se minimiza considerablemente, necesitando bombas para obligar la circulacin del agua. As que la caldera es mucho ms pequea pero necesita bombas que siempre se pueden estropear. Al ser ms complejas no deben ser utilizadas para sistemas propulsivos ya que pierden fiabilidad en este sentido, por eso las SS.CC obligan a portar dos bombas, una de ellas de respeto mientras la otra opera.En estas calderas se deben distinguir entre las bombas de alimentacin, que se encargan de alimentar el circuito de agua del exterior y las bombas de circulacin que generan el movimiento del agua en el interior de los tubos. El uso de este tipo de calderas es prcticamente forzoso a presiones superiores a 120 kg/cm2.

La caldera La Mont se caracteriza porque lleva dos circuitos de alimentacin, el principal y el secundario por si sucede alguna avera. Las vlvulas de alimentacin solo permiten el paso de agua hacia un sentido (vlvulas anti retorno). El vapor se genera en los tubos vaporizadores y pasa al colector donde se separa el vapor del agua. De ah el vapor pasa al recalentador donde hay un sistema de purga que acaba de separar el agua del vapor y el vapor pasa a la maquina a generar trabajo.

Las bombas de circulacin impulsan parte del agua hacia los vaporizadores y parte de ella hacia el economizador. La que va al economizador se mezcla con la de alimentacin y, luego entra al colector a temperatura elevada para pasar despus a la generacin de vapor en los vaporizadores. En el colector existe un pequeo recalentador para la generacin de vapor auxiliar. Los tubos de parihuela son unos conductos que se utilizan como soportes para el resto de elementos (serpentines, recalentador, etc.). Por el interior de estos circula agua para poder ser refrigerados. El colector superior, lleva en el interior un conjunto de elementos (placas) para separar el vapor del agua. En la parte superior, lleva incorporado un segundo colector ms pequeo para la recogida de vapor seco.

Esta caldera funciona de manera muy parecida a la anterior. Un sistema de alimentacin de agua la hace circular por el economizador aumentando su temperatura y luego la lleva al colector. De ah cae y es


impulsada por las bombas de circulacin hacia los vaporizadores donde por medio de la recepcin del calor de los gases de la combustin se genera el vapor que es conducido al colector. Ah el vapor se separa del agua y pasa al calentador y de este a la maquina, atravesando antes un sistema de purgador donde se acaba de separar las partculas de agua. Esta caldera incorpora un nuevo sistema de control de la presin interna por medio de un manmetro diferencial. Este manmetro compara la presin del conducto de cada y la del conducto que lleva el agua a los vaporizadores, es decir, a la entrada y salida de la bomba de circulacin. De esta manera se conoce si las bombas funcionan de manera adecuada.

5. COLECTORES

5.1. Partes principales de los colectores

B: Tubos de entrada de agua de alimentacin (final de tubos evaporadores).

P: Vlvulas de seguridad. C: Tubo de recogida de vapor seco (agujereado por la parte superior). E: Tubera de extraccin de superficie. G-H: Des recalentador o Atemperador, conducto utilizado para la reduccin de la temperatura

del vapor. K-L: Conducto de alimentacin. En este existe una variante que va a un depsito en el que se

introducen los productos qumicos para tratar el agua.

Nota: En el interior del colector, en la zona de entrada del vapor hmedo hay unas placas que sirven para producir el choque del vapor y separarlo del agua. De esta manera el vapor sube a la superficie y el agua baja.


Separador ciclnico

Se basa en un conducto con un fresado helicoidal interno. La mezcla de vapor y agua se pone a girar y a causa de la fuerza centrfuga, superior en el agua que en el vapor, las gotitas se pegan a las paredes hasta que caen a la parte inferior. El vapor sigue circulando hasta la salida, obteniendo vapor saturado completamente puro.

Nota: La estructura general de los colectores se caracteriza porque son mucho ms gruesos por la parte inferior que por la superior. Esto es debido a la debilitacin que sufren estos por el hecho de estar agujereados para recibir los vaporizadores.

5.2. El tratamiento qumico

El tratamiento qumico (por el tubo de adicin qumica) se basa en analizar el agua de la caldera y aadir productos qumicos en base a su estado, y se extraen peridicamente productos residuales que bien precipitan al fondo en forma de sales o lodo, o bien flotan, como pueden ser la espuma provocada por los productos qumicos y/o aceites. Para extraer los residuos que floten en la superficie del agua se usa el tubo de extraccin de superficie instalado (a media altura) en el propio colector superior, de un lado al otro. En cambio, los residuos que pesan caen al fondo del colector superior, pero son finalmente arrastrados hasta el fondo del colector inferior por medio de los tubos de cada. Para eliminar estos ltimos, se instala en el colector inferior una extraccin de fondo, otro tubo situado, esta vez, justo en el suelo del colector inferior.Los productos qumicos de los tratamientos tienen como funcin principal convertir las sales, que por naturaleza se incrustan en los tubos, en sales que cristalicen y precipiten al fondo para su posterior recogida en el colector inferior. La inspeccin del agua se realiza por mirillas o bien haciendo extracciones momentneas y mirar si hay residuos o no en el fondo es imprescindible.El nivel de agua en el colector es constante (prcticamente) e independiente del vapor solicitado (potencia o carga). Para mantener el nivel constante se alimenta con agua el colector mediante una bomba de alimentacin, solventando las prdidas de vapor en la instalacin.

6. CALDERAS MIXTAS (Clsicas)

Son calderas auxiliares que se utilizan para producir vapor (normalmente saturado) bien para calentar fuel para la combustin del motor principal, el crudo en los tanques, o bien para los sistemas de calefaccin o agua sanitaria (sistemas que no requieran de vapor seco a mucha presin). Estas calderas suelen obtener el calor de los escapes de gases quemados que salen de la chimenea, por ello se instalan en el interior del guarda calor (en la zona ms alta), por donde los gases son expedidos a la atmsfera a una temperatura de 300 a 400c. Estas calderas tienen una toma por donde estos gases, an calientes, entran y ceden su calor al agua.Adems, estas calderas tienen, en su mayora, un quemador que substituye a los gases quemados (tomados de la chimenea del buque) para poder continuar calentando agua an cuando el barco est en puerto o navegando a velocidades bajas.Estas calderas suelen ser verticales y se puede acceder a ellas mediante los accesos en el guarda calor. Son calderas fumitubulares y acogen los gases quemados por un lateral, hacindolos circular por tubos que discurren, a modo de serpentines, por el interior de la envolvente cilndrica. En la parte superior de la caldera se produce la separacin del vapor y el agua lquida, dicha regin est cerrada con una tapa semiesfrica, sopesando el uso de cualquier tapa plana con molestos tirantes de por medio. El fuel necesita calentarse hasta unos 150c y obtener una fluidez suficiente para ser trasegado mediante bombas, estas calderas se encargan de ello, ya que trabajan alrededor de los 350c a unos 7 u 8kg/cm2, evaporando el agua a los 200c, suficiente en estos casos. En caso de ausencia de gases quemados, el quemador de la propia caldera puede quemar fuel o incluso diesel. Los gases producidos por su propio quemador circulan por los tubos, de igual forma, y son finalmente expedidos por la chimenea del propio buque. Cuando el motor principal no emite gases


suficientes la caldera puede accionar su quemador, calentando el agua, en estos casos, a partir de la cesin de calor entregada tanto por los gases del motor como de la propia caldera. Nota: Todas las calderas de este tipo descansan sobre una losa de material cermico (cemento) de forma circular. Otras calderas de este tipo utilizan dos pasos (ida y vuelta de los gases) para consumos de vapor ms elevados. En todo caso, el aprovechamiento del calor cedido por los gases del motor no es algo puramente ecolgico sino econmico: si tenemos que producir vapor es mejor hacerlo aprovechando el calor cedido por otra mquina que no producindolo por una cuya finalidad solo sea esa. Unas llevan los tubos horizontales, otras verticales, unas son fumitubulares y otras agua tubulares e incluso algunas mezclan sistemas. En todo caso, la mayor parte de ellas trabajan de forma natural a efectos de conveccin (tubos de evaporacin y de cada).Pueden tener hasta 3 a 7m de altura y 2m de dimetro interior. Se puede dar el caso de que dichas calderas generen vapor bien solo aprovechando los gases de la chimenea (escape) o bien, solo mediante la combustin de su propio quemador. En ambos casos sern precisas dos calderas para solventar las demandas de vapor en la instalacin.Este tipo de calderas se utilizan para generar vapor y calentar agua o fuel. Se denominan mixtas porque la obtencin de calor puede realizarse por medio de la ignicin de combustible o por la reutilizacin de los gases de escape del motor del buque. En todo caso generalmente se opta para aprovechar al mximo el calor aportado por los gases de escape del motor y si la demanda de vapor es ms alta un automatismo pone en marcha el quemador con lo que se genera ms vapor. Estas calderas no se pueden considerar ni aquotubulares ni fumitubulares porque en todo caso estn llenas de agua.

En algunas los gases pasan por los tubos y el agua est en contacto directo con la superficie externa de los mismos, absorbiendo el calor (a), y en otros casos el agua pasa por tubos que atraviesan un conducto por el que pasan los gases y ceden el calor (b).En todas ellas se pueden distinguir claramente la zona de paso de gases provenientes del motor (1), la cmara de combustin (2) y zona de paso de los gases provenientes de la combustin interna (3), la entrada de gases del motor (4), la salida de gases provenientes del motor (5) y de la combustin interna (6) y el quemador (7).

Estas son un ejemplo de calderas tipo (a). La de la derecha se caracteriza porque los gases provenientes del motor realizan un cambio de direccin antes de salir al exterior.


Estas son un ejemplo de calderas tipo (b). La de la derecha es una caldera en la que no es posible la reutilizacin de los gases de escape del motor. Los gases que salen del motor del buque pueden estar gobernados por medio de una vlvula o pueden ir directos a la caldera:

1) Vlvula: Esta vlvula distribuye los gases hacia el escape o hacia la caldera en funcin de la demanda de carga.

2) Directos: Los gases van directos a la caldera. Si hay exceso de generacin de vapor este pasa a un condensador.

7. CALDERAS PARA CENTRALES TRMICAS

7.1 Funcionamiento

En este tipo de calderas se quema carbn en polvo. El carbn se tritura y se pulveriza al interior de los quemadores (1) por medio de unos ventiladores centrfugos para su posterior ignicin en el aire. Estas calderas tienen una altura considerable por motivos de quema del carbn ya que debe tener tiempo suficiente para quemarse. Este carbn va unido a otros minerales, por lo que una vez se ha quemado, los gases de la combustin arrastran a las partculas de ceniza. Para evitar el vertido de estos productos al exterior los gases pasan por un sistema de filtrado antes de salir a la atmsfera. Con las elevadas temperaturas en la salida del horno, estos minerales pueden alcanzar un estado pastoso y causar la obstruccin de los tubos, por este motivo es imprescindible no alcanzar su punto de fusin al final del


hogar. Por ello, los laterales de la cmara de combustin estn formados por tubos vaporizadores, membranas (2) que aparte de generar vapor se encargan de bajar la temperatura de los gases de fusin, motivo por el que es muy importante el dimensionado de la caldera. La superficie interna de la caldera es muy grande con lo que puede producirse un exceso de generacin de vapor. Por este motivo algunos de los conductos se utilizan como recalentadores en vez de vaporizadores. En la parte externa de la cmara de combustin se disponen los tubos de cada (3) que discurren por los laterales.

7.2 Algunas partes esenciales

Colector: En la parte superior de la cmara de combustin hay un colector (4) donde se produce la separacin de agua y vapor.

Molinos: Los molinos sirven para triturar el carbn que cae por las tolvas de suministro. Son unos conjuntos de bolas o tronco conos de acero que giran y machacan el carbn hacindolo polvo.

Filtros y Decantadores: En la salida de la cmara de combustin hay un conjunto de decantadores (5) en los que se separa la ceniza de los gases. Finalmente estos gases pasan por un filtro (6) donde se depositan todos los componentes slidos.

Ventiladores: Para el movimiento de los gases de escape hay dos tipos de ventiladores que son los de impulsin (7) y los de induccin (8). Un tercer tipo de ventiladores son los pulverizadores que impulsan el carbn en polvo. A dems hay un cuarto tipo de ventiladores que son los recirculadores (9) que se encargan de reconducir parte del aire que ha salido de la cmara de combustin para mezclarlo de nuevo con el carbn en polvo y acabar de quemar las partculas de carbn que podra an tener, reduciendo as las emisiones de oxido de nitrgeno

Recalentadores: En la parte superior de la caldera estn los recalentadores, el de color rosa fuerte es el recalentador primario, en rosa claro el secundario y en azul el economizador.

Intercambiadores de calor: Los intercambiadores de calor pueden ser de varios tipos segn sea el modo de intercambio:1) De mezcla: Se produce la mezcla de los fluidos,

Intercambiando as temperatura del uno al otro.2) De superficie: Un fluido en movimiento pasa por una

superficie y absorbe el calor de la misma por medio de la conveccin.

3) Regenerativo: Es un slido poroso en movimiento rotativo, que por una parte se calienta por los gases de escape y por la otra cede calor al aire nuevo entrante.

8. INDICADORES Y CONTROLADORES DE NIVEL Estos elementos sirven para saber, en todo momento, la cantidad de agua que hay en el interior de la caldera a fin de alimentarla correctamente. Se deben distinguir dos tipos de sistemas para controlar el


nivel de agua: los que sirven solamente para indicar el nivel que hay en la caldera de manera visual, y los

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Generadores de vapor