Las calderas son máquinas diseñadas para generar vapor caliente que se puede aprovechar en diferentes tipos de procesos. Anteriormente en el blog de H2O TEK hemos presentado algunas recomendaciones para su uso adecuado, y en esta ocasión, para que nuestros visitantes conozcan más acerca de ellas, nos enfocaremos a hablar de los diferentes tipos que existen y de las aplicaciones más comunes que reciben.
El funcionamiento de una caldera se basa en los principios de presión de la física dinámica para producir energía a partir del flujo de vapor. Por tanto, estas máquinas deben contar con un tanque y un sistema de tuberías por el que se hace circular un fluido, ya sea aceite térmico o agua a una presión constante. Es por la transferencia de calor hacia el fluido que este cambia de fase para transformarse en vapor saturado que según sus características específicas, como temperatura, presión y caudal, puede recibir diferentes usos, como calentar equipos y máquinas de proceso, generar energía eléctrica por turbinas, generar fuerza motriz mecánica por turbinas o máquinas de vapor, entre otras.
Una caldera por lo general se fabrica con una base de acero laminado con hierro fundido y templado, materiales que se caracterizan por su gran resistencia a temperaturas elevadas y a las variaciones ambientales. Según el tipo de funcionamiento y diseño de estas máquinas se encuentran de diferentes clases, acuotubular, pirotubulares, de hogar presurizado, de fundición seccional y de calefón. En las acuotubulares el fluido se desplaza en un sistema de tubería para salir a altas presiones por lo que tienen una gran capacidad para generar vapor, razón por la que sean las más empleadas en centrales termoeléctricas. Las pirotubulares cuentan con un sistema de tuberías que transportan gas a alta temperatura y pasan por tanques de líquidos que al contacto con los tubos forman el vapor saturado. Por su tipo de funcionamiento las pirotubulares se emplean en instalaciones de calefacción.
Una caldera de hogar presurizado tiene una cámara de combustión cónica en la que se produce un flujo de gases turbulento que incrementa la transferencia de calor. Este tipo funciona de manera automática y se fabrica en acero. La de fundición seccional tiene secciones huecas de fusión de hierro por las que circula el fluido para generar el vapor, y en la de calefón el funcionamiento es el básico de la acuotubular con la particularidad de que el fluido cambia de fase a gas dentro de un serpentín de cobre cuando este es expuesto de manera directa al fuego de los quemadores de la caldera.
Otra característica que diferencia a los diferentes tipos de calderas es el combustible que emplean para su funcionamiento pudiendo ser líquidos, gaseosos o sólidos. El combustible líquido empleado por una caldera presenta una viscosidad de entre 30 y 40 cSt y en aquellos casos en que sea mayor el combustible debe precalentarse para reducir su valor y poder bombearlo hacia los quemadores de la caldera. Cabe mencionar que los quemadores en una caldera de combustible líquido generalmente tienen una posición horizontal para facilitar el bombeo.
En el caso de los combustibles gaseosos existen diferentes opciones, como el gas LP, el gas propano, el gas natural o el obtenido de gasificadores. Los quemadores de una caldera a gas tienen poca presión, por ello es necesario que se les equipe con un sistema para reducir la presión de bombeo. Es importante considerar para la elección de una caldera los riesgos que presenta cada una y en las de funcionamiento por gas el principal es el de explosión por acumulación de combustible. Esto no quiere decir que no se deba optar por ellas, sino que es indispensable adoptar medidas de seguridad más rigurosas.
Por otro lado, los combustibles sólidos utilizados para el funcionamiento de una caldera incluyen la leña, el carbón y los desechos de producción, entre otros materiales. Por las características de estos materiales sólidos se recomienda contar con grillas o molinos de pulverización, tecnología que los hace más finos para que su quema se haga correctamente. El tipo de caldera que funciona por combustible sólido tiene un diseño complejo, ya que requiere de un suministro adecuado de aire para hacer posible la combustión, además de un sistema para garantizar que las partículas se quemen por completo, para la ventilación del sistema y finalmente, para la disposición de las cenizas.
Los entornos en los que resulta más común el uso de una caldera son la industria petroquímica en procesos donde el vapor es requerido, por ejemplo, para reducir la densidad de fluidos y de esta manera acelerar su transporte por tuberías, para homogeneizar materias primas, para la fusión de algunos compuestos y en la función de petroquímicos, etapa básica en el proceso de fabricación de diferentes productos. En la industria de producción eléctrica, como en centrales termoeléctricas e industrias que generan su propia energía eléctrica también se ha difundido el uso de una caldera, en especial aquella que funciona por combustibles como el biodiesel, ya que es una alternativa más económica que otros combustibles. Además con el uso de esta máquina y combustible es una alternativa para reducir el impacto negativo de algunas actividades industriales sobre el medio ambiente.
En la industria alimenticia, una caldera se emplea en los procesos de esterilización de superficies de transformación, esterilización de utensilios y recipientes, esto en establecimientos que trabajan en gran escala porque en los pequeños un calentador de agua puede ser suficiente. En la industria química farmacéutica y hospitalaria recibe el mismo uso de esterilización, el que resulta clave para la calidad y seguridad de las actividades que se llevan a cabo en estos entornos. Además el vapor interviene en la transformación de algunos componentes químicos para preparación de composiciones moleculares y medicamentos, entre otros.
Otra entorno donde el uso de una caldera es de gran importancia es en el restaurantero y hotelero, donde se requiere de gran capacidad para el suministro de servicios, como agua caliente, a habitaciones, lavandería y a la cocina, para los que un calentador convencional no resulta suficiente. En futuras publicaciones en este blog hablaremos sobre detalles del funcionamiento y aplicaciones de una caldera.
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