Generadores de vapor y accesorios

    Son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Las calderas tienen como antecedente la Eolipila de Herón (120 a.C.).

   Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

   Luego de otra experiencias, James Watt completó una máquina a vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

Caldera tipo locomóvil
      Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. La entrada de hombre, que se ve abierta, es la base de la chimenea, es decir la caja de humos y en la parte superior se encuentra la salida de vapor.  
Caldera tipo locomóvil

    Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

Caldera acuotubular de Cornwall
     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.

 
Vista frontal

    Se conoce como vapor de agua al fluído aeriforme o gaseoso que resulta de la vaporización del agua. 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.

Caldera acuotubular de Steinmüller
     El Laboratorio de Máquinas Térmicas de la Escuela Industrial OTTO KRAUSE tiene dos calderas de esta clase, gemelas, marca Steinmüller, desde 1913, siendo el primer Laboratorio para prácticas con alumnos de sudamérica. 

   Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador.

   La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el año 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorporó sopladores y quemadores para combustibles líquidos.

   En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.

   A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua-vapor y del acondicionamiento del agua de alimentación.
Caldera Belleville
     Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas. 

   La caldera de la izquierda tiene un hogar con dos entradas para ingreso del combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior, con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 ° C.

    La de la derecha, es del tipo humotubular altamente reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de humo, preparada para combustible líquido o gaseoso, y apliaciones navales.

 
Caldera marina tipo Escocesa


Válvula de seguridad
 
Válvula de seguridad

   La válvula de seguridad es un elementos obligatorio, impuesto por ley, que limita la presión máxima del vapor en la caldera.

   Si bien puede haber varias colocadas en la misma instalación, por lo menos una de ellas debe ser tipo "a contrapeso". El contrapeso se coloca a la distancia adecuada para que su "momento estático" equivalga al momento de la fuerza efectuada por el vapor contra la válvula. Si la fuerza ejercida por la presión del vapor crea un momento mayor que el contrapeso, entonces la válvula se abre, aliviando las fuerzas creadas por el vapor, internas en la instalación.

   A la izquierda vemos una válvula de seguridad sumamente empleada, del tipo a resortes.


 
Vacuómetro
 
Medición de vacío y de altas presiones

   Dada la diversidad de las presiones empleadas en las instalaciones de las calderas y de los circuitos de vapor, se emplean variados aparatos de medición.

   Uno de los más empleados es el del tipo Bourdon, el cual posee un tubo de sección oval o aplastada (oblonga) y su perfil es de una forma parecida a un signo de interrogación (?). Cuando el vapor penetra en el tubo su presión lo hace enderezarce hasta que su resistencia elástica (reacción) sea igual a la fuerza del vapor (acción). El tubo debe ser de acero inoxidable, bronce fosforoso, etc. El resorte antagónico está al sólo efccto de evitar que el juego mecánico interno se refleje en molestas oscilaciones de la aguja indicadora.

   Para bajas presiones, es decir vacío, la disposición es similar, aunque lógicamente con otras resistencias mecánicas.

 
Manómetro Bourdon


 
Quemadores

   El combustible en la caldera se introduce mediante dispositivos que reciben el nombre de quemadores. En ellos se mezcla el aire atmosférico, en realidad el oxigeno que forma parte del mismo, con el elemento que al quemarse producirá el calor, que calentará al agua produciendo el vapor.

   Los hay de muy variados tipos, en función del tipo de combustible primario que quema la caldera. Los más complicados son los quemadores para carbón, ya que previamente debe ser pulverizado a efectos de acelerar el quemado. Los de gas son simples en su concepción, resultando en un buen quemado de gran limpieza.

   El que vemos a la derecha, es un primitivo quemador de petróleo (no directamente, sino alguno de sus destilados). Mediante mariposas se logra la regulación del aire y de la cantidad de combustible, para producir la mezcla combustible óptima. Cuando el combustible es muy pesado, como por ejemplo el Fuel Oil, debe ser precalentado antes, para bajar su viscosidad y facilitar su atomización.

 
Quemador de petróleo



Condensador de superficie

 
Condensador de superficie

   Una vez que el vapor ha realizado su trabajo en la máquina (ya sea alternativa o turbina) se lo hace pasar por un elemento llamado "condensador", el cual consiste en una gran cantidad de tubos horizontales por los que circula agua fría, con un muy pobre tratamiento, generalmente de un río, lago o mar vecinos; y por fuera de ellos, lamiendo los tubos, circula el vapor, que pierde temperatura, pierde volúmen y se condensa, es decir vuelve a la forma de agua, para luego continuar el ciclo y reingresar a la caldera. Es la fuente fría de la instalación.

   Varios son los ciudados que deben tenerse con el agua de refrigeración, en especial por los posibles depósitos de crustáceos que empeoran la conducción térmica del dispositivo.



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