CALDERA: PROPRIEDADES Y FUNCIONAMIENTO

Premisa: esta publicación es parte de un trabajo grupal que aspira describir de las principales máquinas térmicas que cumplen con la condición ideal de Flujo Estable, Estado Estable (FEEE). Los integrantes del grupo son:

• Heisel Núñez
• Ana Sofía Bustavino
• Arián Torres
• Leticia Rodríguez
• Dario Frizzarin (autor).
  

Una caldera, o generador de vapor, es una parte crítica de las centrales térmicas, siendo el equipo más grande y que, por consecuencia, requiere de mayor atención en su operación.

Fig. 1: Caldera de la planta de concreto de la multinacional mexicana Cemex, Nuevo Caimitillo, Panamá Norte, Ciudad de Panamá, Panamá. 

Su propósito fundamental es el de calentar agua líquida hasta convertirla en vapor, el cual será luego usado para generar energía eléctrica y así impulsar otras máquinas, como se apreciará a continuación.

Dos calderas muy populares son: acuotubulares (agua fluye a través de tuberías rodeadas por fuego), ideales para aplicaciones industriales que requieran de altas presiones; y pirotubulares (por lo contrario, fuego contenido en serpentina calienta al agua líquida en el recipiente), más prácticos en aplicaciones a pequeña escala. 

 

PROCESO

El proceso empieza añadiendo agua líquida comprimida; ésta circulará en una serpentina dirigida hacia la fuente de calor, llamada fogón o hogar. En ello, la combustión de carbón (conteniente rastros de hidrocarburos como el metano), o de residuos orgánicos, genera fuego que calienta a la serpentina: ésta luego sube para luego verter su contenido, vapor de agua saturado, en un tanque conocido como domo.

En este primer paso, raras veces el agua líquida vaporiza por completo. Usualmente, entonces, se separa la fracción evaporada y se expone al fogón la líquida, que finalmente alcanza la fase de vapor sobrecalentado: ahora sí se puede aprovechar de su utilidad por completo.

La siguiente imágen (Fig. 2) y video (Vid. 1) explicarán con más detalle este proceso; se obervan dispositivos que aprovechan de la energía térmica así obtenida, e incluso los diferentes tipos de caldera.

 

Img. 1: Funcionamiento de una caldera, y de los dispositivos que transforman la energía térmica en mecánica (turbina), y luego eléctrica (generador).

 

 

 

Vid. 1: "🔥 ¿Qué es una CALDERA DE VAPOR Industrial? 🔥", Industrial Mitto, Youtube.

 

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Pasemos ahora a observar qué ocurre en detalle en este proceso.

Asumiremos primero que la máquina obedezca las condiciones ideales de Flujo Estable, Estado Estable (FEEE), donde:
- "Flujo Estable" se refiere a que las propriedades del fluido no varían en el tiempo, en el inicio o en el fin de un proceso (la energía y el trabajo se conservan);
- En un "Estado Estable", se asume que la cantidad de masa de fluido, a lo largo del proceso, no cambia, o sea, no se extrae o no se añade.

El agua pasa a ser de líquido comprimido, a mezcla saturada, a vapor sobrecalentado, solo por incremento de temperatura: esto implica que la presión con la que sale (para un sistema abierto con válvulas abiertas) es la misma con la que entra en la caldera. Por lo tanto, no se genera trabajo, y así, potencia. 

 

FORMULACIÓN MATEMÁTICA

La Ecuación de Continuidad se obtiene del Principio de Conservación de Masa para Sistemas Abiertos (e = entrada, s = salida):

Asumiendo que las tuberías tengan el mismo diámetro de inicio a fin, y que el agua no cambia sus propriedades de forma significativa, se puede decir que:

 

 

La Primera Ley de Termodinámica afirma lo siguiente:

 

En el caso de la caldera, por las razones mencionadas:

Donde:

• m es el flujo másico;
• Q es el flujo de calor, o calor transferido por unidad de tiempo;
• q es el calor transferido por unidad de masa;
• h es la entalpía específica.

INFORMACIONES ÚTILES

A lo largo de la investigación, se han encontrado publicaciones de dos empresas, que amplían sobre situaciones que involucran a las componentes de esta máquina: la primera es Bosch, descrita como "multinacional alemana de ingeniería y tecnología", y la segunda es Tractian, empresa que gestiona el mantenimiento de equipo en plantas industriales, basada en Georgia, EEUU. A continuación:

1. Blog de Bosch, hablando sobre las diferencias entre calderas acuotubulares y pirotubulares;
2. Blog de Tractian, con información sobre los tipos de caldera, sus componentes y mantenimiento.