TERMODINÁMICA: CALDERAS INDUSTRIALES Y CENTRALES TÉRMICAS

¿Qué es una caldera y qué características tiene?

Una caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica.

El principio básico de funcionamiento de las calderas consiste en una cámara donde se produce la combustión, con la ayuda del aire comburente y a través de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor.

Partes principales de una caldera:

Quemador: sirve para quemar el combustible.

Hogar: alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la combustión del combustible utilizado y la generación de los gases calientes.

Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a través de su superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.

Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.

Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.

Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

¿Qué es una central térmica y cuáles son sus componentes?

En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor.

Componentes principales:

· Caldera. En este espacio el agua se transforma en vapor, cambiando su estado. Esta acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otro combustible fósil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la convierten en vapor.

· Turbina de vapor. Máquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa.

· Generador. Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética. Las centrales eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna.

Antecedentes calderas

La primera máquina de vapor fue creada por Dionisio Papin en 1769, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor a baja temperatura (vapor húmedo). Luego de otras experiencias James Watt completo una máquina de vapor de funcionamiento continuo, usada inicialmente para hacer accionar bombas de agua de cilindros verticales siendo impulsora de la revolución industrial.

Todo comienza con con las observaciones realizadas por watt (ingeniero escocés), que con sus análisis y mejoras dio el primer paso cuando realizo mejoras a la máquina de Newcomen dando lugar a la máquina de vapor mejorada.

Dedujo que la máquina de Newcomen estaba gastando casi tres cuartos de la energía del vapor al calentar el pistón, y desarrollando entonces una cámara de condensación separada que incrementó significativamente la eficiencia.

Observó también que podría utilizar la fuerza del vapor como fuerza económica que reemplazaría la fuerza animal y manual, empezando así la vida de las calderas como aporte de la ingeniería a la vida cotidiana.

El primer inconveniente que tenían, es que los gases calientes hacían contacto solamente con la base de estas primeras calderas desaprovechando el calor del combustible. Como mejora utilizaron tubos para aumentar la superficie de calefacción.

Clasificación de las calderas

Calderas Pirotubulares

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera.

El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.

Calderas Acuotubulares.

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc.

Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera.

Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.

Calderas de Vaporización Instantánea

Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera está preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea.

Aplicaciones industriales

Esterilizar los instrumentos médicos
Calentar los petróleos pesados para mejorar su fluidez
La industria de bebidas alcohólicas es usada en la aceleración de la fermentación y en el proceso de cocinado de la materia orgánica base del producto.
Procesos de calentamiento
Procesos de vaporización son indispensables para generar electricidad
Proceso de coloraciones con el empleo de sustancias químicas