CALDERAS NAVALES. CAPTULO 1. PRINCIPIOS ELEMENTALES.

Tema 1 punto 1. TEORA BSICA DEL FUNCIONAMIENTO DEL VAPOR. Antes de iniciar el estudio de los generadores de vapor o calderas, como generalmente se les llama, es necesario que el estudiante tenga el conocimiento elemental, del proceso fsico de la generacin de vapor. Si una cantidad de agua es colocada en un recipiente abierto, y ste es llevado ms tarde al contacto con una llama, u otra fuente de calor, este ser transmitido, a travs de las paredes del recipiente al agua. La temperatura del agua se elevar, con un consiguiente aumento de su volumen, hasta alcanzar la temperatura de 212 grados farenjeit, a la cual el agua hervir. La temperatura del agua y del vapor en contacto directo con la misma, permanecer constante a 212 grados farenjeit (100 grados centgrados), mientras quede agua en el recipiente, y el mismo permanezca abierto a la atmsfera. Si el recipiente est cerrado, o sea, que el vapor no pueda escapar a la atmsfera, la temperatura y presin, dentro del recipiente, se elevarn a medida que se forme el vapor, y mientras se aplique el calor, la presin y temperatura continuarn elevndose, hasta que la temperatura del agua y del vapor, alcancen aproximadamente la temperatura de la fuente de calor. Ahora bien, si practicamos una pequea abertura en el recipiente, de modo que el vapor pueda escapar a un rgimen uniforme, y si el rgimen de suministro de calor permanece constante, la presin dentro del recipiente, y la temperatura del agua y del vapor permanecern constantes, su magnitud depender del rgimen a que se permita escapar el vapor. Aumentando el rgimen de suministro de calor, o disminuyendo el rgimen del vapor que escapa, la presin se elevar, y con ella la temperatura del vapor y del agua. Sin embargo, mientras exista agua en el recipiente, y mientras la presin permanezca constante, las temperaturas del agua y del vapor permanecern constantes e iguales. En estas condiciones, el vapor tendr en suspensin cierta cantidad de humedad, y es designado como vapor hmedo. La proporcin en peso de vapor seco en tal mezcla, se llama calidad de la mezcla, y se expresa en trminos de porcentajes. As, si una cantidad de vapor hmedo contiene 90 por ciento de vapor seco, y un 10 por ciento de humedad, se dice que dicho vapor tiene una calidad del 90 por ciento. Si la vaporizacin (conversin de agua en vapor), contina, hasta que toda el agua en el recipiente, se haya convertido en vapor, y si cerramos rpidamente el recipiente, y no se permite la entrada o salida de calor, el recipiente estar lleno de vapor nicamente, no existiendo agua en suspensin. En esta condicin se dice que el vapor es saturado.

Debe recordarse constantemente, que hay una definida relacin entre la presin, y la temperatura, con respecto al vapor. Cuando el vapor, est en contacto con el agua de la cual proviene, si la presin permanece constante, la temperatura del vapor y del agua son constantes e iguales, prescindiendo de la calidad del vapor. Este fenmeno de la relacin entre la presin y la temperatura, es cierta, para todos los vapores, que se encuentran en contacto con los lquidos de donde provienen. La temperatura de un vapor saturado, correspondiente a una presin dada, se llama temperatura de saturacin del vapor, a esa presin. Por ejemplo, la temperatura de saturacin del vapor, a la presin atmosfrica normal (14 punto 7 libras sobre pulgada cuadrada), es de 212 grados farenjeit, y la temperatura de saturacin del vapor, a la presin de cuatrocientas libras sobre pulgada cuadrada absolutas, es de 445 grados farenjeit; inversamente, la misma relacin se mantiene. La presin del vapor saturado correspondiente a una temperatura dada, se llama presin de saturacin a esa temperatura; por ejemplo, la presin absoluta de saturacin del vapor a 489 grados farenjeit, es 615 libras sobre pulgada cuadrada. La temperatura de saturacin se eleva, al aumentarse la presin.

Es importante que el estudiante comprenda, la diferencia entre temperatura y calor. El calor es la forma de energa, y en la ingeniera prctica, se mide en unidades conocidas como BETEU (Unidad Trmica Britnica). Una unidad Trmica Britnica puede ser aproximadamente definida, como la cantidad de calor (energa), que debe aadirse a una libra de agua al nivel del mar, para elevar la temperatura de dicha agua

un grado farenjeit, inversamente, para enfriar una libra de agua un grado farenjeit, es necesario, que se le quite al agua un BETEU de calor. Despus que una libra de agua ha sido calentada, a su punto de ebullicin, deber aadirse un nmero definido de BETEU, para vencer la resistencia interna del agua (la fuerza de cohesin en sus molculas), y formar una libra de vapor saturado seco; esta cantidad de calor as aadido, se llama calor latente de vaporizacin. El calor latente de vaporizacin, vara, con la presin a que tiene lugar el proceso. Inversamente, para convertir una libra de vapor saturado seco, a una libra de agua a la temperatura de ebullicin, una cantidad de energa calorfica (calor), igual al calor latente de vaporizacin, debe ser quitada al vapor. Este proceso se conoce, con el nombre de condensacin. Aadiendo energa calorfica (calor), al vapor saturado resulta un aumento en su temperatura (recalentamiento) del vapor. El calor es una forma de energa, mientras que la temperatura, es una medida del potencial, que tiende a causar el flujo de calor. La diferencia de temperaturas, est relacionada, con la transmisin de calor entre dos sustancias del mismo modo, que la diferencia de presin, est relacionada, con el rgimen del flujo de fluidos de un punto a otro. Mientras mayor sea la diferencia de presin, entre una conductora de entrada de agua y su salida, que est a menor presin, mayor ser el rgimen de flujo del agua entre esos dos puntos. De modo semejante mientras mayor sea la diferencia de temperaturas, de dos sustancias en contacto, o entre dos puntos, de un mismo cuerpo, mayor ser el rgimen de transmisin de calor, del cuerpo ms caliente al ms fro. No debemos olvidar que el calor, nunca fluye de una sustancia a baja temperatura, a una sustancia a mayor temperatura. La temperatura es una medida de la intensidad de calor, no de su cantidad.

Tema 1 punto 2. VAPOR RECALENTADO. Si el vapor saturado, se lleva por medio de un tubo del recipiente en el cual se gener, a un segundo recipiente cerrado, construido de manera tal que la presin en su interior, pueda ser mantenida constante, y si le suministramos una mayor cantidad de calor a este nuevo recipiente, la temperatura del vapor en su interior, se elevar mucho ms que la del vapor saturado, que est contenido en el primer recipiente. Cuando el vapor hmedo alcanza el segundo recipiente, toda la humedad debe evaporarse antes de que pueda ocurrir un aumento en su temperatura. Cuando se le aade calor adicional al vapor, ms all de este punto, su temperatura se eleva, y el vapor se transforma en recalentado. La cantidad por la cual la temperatura del vapor recalentado, excede a la temperatura del vapor saturado, correspondiente a su presin de cuatrocientas libras sobre pulgada cuadrada absolutas, (temperatura de saturacin 445 grados farenjeit), es recalentado a una temperatura de 745 grados farenjeit, su grado de recalentamiento es de 300 grados (745 menos 445 grados farenjeit). Adems de los cambios en presin y temperatura que ocurren, tambin ocurren cambios en el volumen especfico (pies cbicos por libra), al variar la presin y la temperatura. A una presin dada, el vapor saturado tiene una temperatura definida, as como el volumen especfico definido (o densidad, sinnimo de volumen especfico); por ejemplo, una libra de vapor saturado a cuatrocientas libras sobre pulgada cuadrada absolutas (445 grados farenjeit), ocupa un volumen de 1 punto 1613 pies cbicos. Si la presin se mantiene constante y el vapor se recalienta, la temperatura y el volumen aumentarn. El vapor recalentado a cuatrocientas libras sobre pulgada cuadrada de presin absoluta, y temperatura de 745 grados farenjeit (300 grados de recalentamiento), tiene un volumen especfico de 1 punto 726 pies cbicos por libra. Antiguamente las mquinas de vapor, se diseaban, para operar, con vapor saturado. Actualmente el vapor saturado es raramente empleado, vara en calidad de acuerdo con la construccin y diseo de cada planta. An, cuando el vapor pudiera ser prcticamente seco, a la salida de la caldera, el efecto de enfriamiento del aire sobre las largas tuberas pobremente aisladas, o sin aislamiento, y sobre los cilindros de las mquinas, resulta en una condensacin parcial del vapor, ya sea antes de alcanzar la mquina, o mientras pasa, a travs de ella, de manera que la calidad del vapor, fue reducida de 100, a cerca de un 75 o 90 por ciento. Con el avance en el diseo de calderas, se logr una disposicin ms efectiva en las plantas, acortando las tuberas, y con el desarrollo de materiales aislantes ms eficientes, se logr que estas condiciones fueran gradualmente mejoradas. La introduccin de separadores de vapor, entre la caldera y la mquina, para quitar la humedad del vapor, tambin mejor

la calidad del vapor que entraba a la mquina. Sin embargo fue inevitable alguna condensacin, dentro de la mquina, mientras se us el vapor saturado.

Los resultados inmediatos del vapor hmedo son:

1. Deterioro de las tuberas, y maquinaria por corrosin.

2. Erosin de las partes internas de la mquina, tubera y accesorios por el arrastre de agua, llevada por el vapor en su rpido movimiento.

3. Prdidas de calor del vapor, al contacto con el metal de la tubera y maquinaria, resultando en una mayor condensacin, y disminuyendo por lo tanto en calidad.

Estos efectos indeseables, son reducidos materialmente o eliminados del todo, por el uso del vapor recalentado, ya que no existe en l la presencia de la humedad que causa corrosin o erosin, y la prdida de calor transmitida a las partes metlicas con vapor recalentado, no es suficiente, para bajar la temperatura, hasta la temperatura de saturacin, adems siendo el vapor recalentado ms pobre conductor del calor que el vapor saturado, no transmite calor ni tanto ni tan rpido como lo hace el vapor saturado.

Desde el punto de vista de la eficiencia de la planta, el vapor recalentado tiene una marcada ventaja sobre el vapor saturado. En la turbina de vapor comn, de potencia moderada, se obtiene un aprovechamiento del 1 por ciento en eficiencia, por cada 35 grados farenjeit de recalentamiento. En turbinas de alta potencia este aprovechamiento, aumenta, hasta 15 por ciento, por cada 200 grados farenjeit de recalentamiento. Este aprovechamiento trae como consecuencia, una disminucin de consumo de combustible, y en la reduccin del espacio y peso, requerido por la planta.

Tema 1 punto 3. FUNCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR O CALDERA. El recipiente, con su abertura restringida y elemento de calefaccin, constituye la forma ms elemental de un generador de vapor o caldera. Para proporcionar una entrega continua de vapor, deber acomodarse un aditamento, para reemplazar el agua que es evaporada, y extrada de la caldera en forma de vapor. Con estos elementos esenciales es posible ahora definir los procesos funcionales que ocurren en cualquier caldera.

1. Combustin. Es necesario un espacio cerrado llamado hogar o cajas de fuego. El combustible se combina, con el oxgeno del aire, y se quema entregando su energa calorfica.

2. Transferencia del calor de combustin al agua. El calor de combustin se transfiere, mediante un proceso, a travs de las paredes de los tubos de la caldera al agua, la cual absorbe este calor, y se transforma en vapor.

3. Circulacin de agua y vapor. Si se aplica calor al vapor saturado, ste se transforma en vapor recalentado y si esto contina, la temperatura alcanzada, puede llegar a ser suficientemente alta, para quemar o fundir el recipiente que contiene el vapor. De aqu que es necesaria la circulacin del agua y del vapor, para asegurar que no se formen bolsones de vapor muerto, que pudieran causar la distorsin o fundicin del metal adyacente. En el caso de calderas diseadas, para producir vapor recalentado, deber proveerse un flujo positivo de vapor, a travs del elemento recalentador, siempre que haya fuego en el hogar de la caldera.

El suministro de agua de alimentacin, es provisto por medio de bombas que existen en el sistema de alimentacin. El problema de la circulacin, dentro de la caldera es una funcin de diseo, dependiendo de un cierto nmero de factores.

La circulacin del vapor, es tambin en parte una funcin del diseo de los espacios generadores. El flujo de vapor, desde la caldera, hasta la mquina, a travs de los tubos, se realiza por medio de un sistema de

tuberas internas y vlvulas externas. La apropiada circulacin del vapor, es esencial, para una eficiente distribucin del calor, a travs de los espacios generadores.

Tema 1 punto 4. PRINCIPIOS DE LA TRANSFERENCIA DEL CALOR. La transferencia del calor, a travs de gases, lquidos y slidos, y de una a otra de estas formas de la materia, se efecta por tres procesos fsicos diferentes: Conduccin, Conveccin y Radiacin, los cuales son definidos de la siguiente manera.

1. Conduccin: es el proceso de la vibracin molecular, dentro de una sustancia, en donde el calor se transmite de una parte, a otra de la sustancia. As, si un extremo de una barra de metal se calienta, la temperatura del otro extremo se elevar tambin. Si la barra fuera perfectamente aislada, de tal manera, que no hubiera prdida de calor, y fuera hecha de un material que fuera un perfecto conductor del calor, tendramos que el extremo no calentado podra alcanzar la misma temperatura del extremo calentado. La aplicacin del calor, a una parte de la barra produce rpidas vibraciones, a las molculas que componen la masa de metal, y estas vibraciones son transmitidas de una molcula, a la siguiente, hasta que stas se extiendan, a travs de toda la masa. En un conductor perfecto, la amplitud de las vibraciones seran las mismas, sin importar la distancia al punto de aplicacin del calor, de aqu que la temperatura de toda la masa sera al final igual a la fuente de calor. Ya que no hay sustancias que sean conductores perfectos, esta condicin nunca se obtiene en la realidad, puesto que las vibraciones disminuyen en amplitud y en proporcin, con su distancia a la parte ms caliente de la sustancia. Este mismo proceso ocurre en los gases, y en los lquidos as como en los slidos, y entre cuerpos en contacto unos con otros.

2. Conveccin. Es una forma de transferencia de calor, que ocurre nicamente en los fluidos. Cuando un fluido se calienta se expande, y por tanto disminuye su densidad. El fluido ms fro siendo ms pesado, tiende a caer, y desplaza al fluido ms caliente menos pesado, el cual se eleva. El resultado de esto es una corriente de fluido caliente que asciende, y que es reemplazada por una corriente de fluido fro descendente. Estas corrientes son conocidas, con el nombre de corrientes de conveccin. Un ejemplo tpico de este proceso, es el sistema ordinario de aire caliente, para la calefaccin de edificios.

3. Radiacin. Es la transferencia de calor en forma de ondas similar a la de la luz y radio. El calor del sol se transmite a la tierra por radiacin. La intensidad de la radiacin es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo radiante, y depende del material y naturaleza de la superficie del cuerpo radiante. La cantidad de calor radiante, transmitida entre dos cuerpos vara inversamente, al cuadrado de la distancia que los separa, y directamente como diferencia de las cuartas potencias de sus temperaturas absolutas.

Tema 1 punto 5. PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR, EN LAS CALDERAS. La transferencia del calor, producido por la combustin del combustible, en el hogar de la caldera al agua y vapor de los espacios generadores, comprende los tres procesos. Cuando el combustible se quema, el hogar se llena, con los gases calientes de la combustin. Estos gases tienen una triple accin, misma que se explica de la siguiente manera:

1. Radiacin: Los gases de la combustin, emiten ondas de calor radiante, que son proyectadas en todas direcciones, y que son absorbidas por todas las superficies expuestas, estas superficies incluyen:

a). Paredes y piso del hogar;los cuales vuelven a radiar el calor a las superficies generadoras de calefaccin, esto es, las superficies del vapor y agua en contacto, con los gases, las cuales sern referidas, como superficies de calefaccin.

b). Las superficies de calefaccin, propiamente dichas que reciben el calor por radiacin directa de los gases calientes. Ya que el rgimen de transferencia de calor por radiacin, es proporcional a la diferencia de las cuartas potencias de las temperaturas absolutas, de los cuerpos que radian y reciben calor, y ya que esta temperatura diferencial vara slo ligeramente, con cambios en la cantidad de combustible quemado en el hogar, el calor radiante se transfiere a un rgimen prcticamente constante, sin tener en cuenta, el aumento, o disminucin en el rgimen de la combustin.

2. Conveccin: Los gases calientes del hogar, despus de haber transferido parte de su calor, a las superficies de calefaccin directa e indirectamente por radiacin, se elevan por conveccin hacia las partes superiores de las calderas, donde ellos pasan sobre superficies adicionales de calefaccin, a las cuales le entregan el calor por contacto directo. Es de notarse que la actual transferencia de calor de los gases calientes, a las superficies en contacto con ellos es por conduccin, para distinguirlo del flujo de gases calientes sobre estas superficies por conveccin. El rgimen de transferencia de calor por esta combinacin de procesos, es proporcional a la diferencia de temperaturas de los gases, y las superficies en contacto con ellos, y la velocidad de flujo de estos gases sobre las superficies, mientras mayor sea la diferencia de temperatura y velocidad, mayor ser el rgimen de transferencia de calor. Una cantidad limitada de calor transferido por radiacin, tiene lugar tambin en los gases calientes, cuando ellos pasan sobre la superficie de calefaccin.

3. Conduccin: El calor al pasar del gas al agua encuentra un nmero de resistencias trmicas en serie. Suponiendo una temperatura del gas de 1500 grados farenjeit, y una temperatura del agua de 225 grados farenjeit, el flujo del calor, es como sigue:

a. Cuando los gases pasan sobre las superficies de calefaccin, se forman remolinos y en estas reas turbulentas se transfiere calor por mezcla mecnica o conveccin, tambin por conduccin interna en las molculas, a las intersuperficies separadoras de los remolinos, desde una capa de estancamiento, o gas de movimiento lento, el cual se forma al lado de los remolinos.

b. Desde la cara interna de los remolinos, el calor se transfiere principalmente por conduccin, y una pequea cantidad por conveccin, a travs de la pelcula de gas, a la superficie de la capa de holln, y otros depsitos slidos, que se forman sobre la parte en contacto, con el fuego de las superficies de calefaccin.

c. El calor transferido, a travs de la capa de holln, la pared de metal del elemento generador, y una capa de incrustacin (formada por depsitos de materias insolubles, que lleva el agua de alimentacin de la caldera), sobre el lado de agua, es por conduccin.

d. Finalmente, el calor se transfiere por conduccin y conveccin, a travs de la pelcula de agua estancada, o por movimientos lentos del agua, que se forman sobre el lado de agua, y a travs de los remolinos de agua y vapor; similares a los remolinos de gas que se forman sobre el lado de fuego, para el flujo de agua y vapor sobre la superficie de calefaccin.

Segn el rgimen de fuego (la cantidad de combustible quemado en el hogar) aumenta, tambien aumenta la temperatura y velocidad de los gases de combustin. El porcentaje de calor absorbido debido al proceso de conveccin conduccin, aumenta por consiguiente, con el aumento de la carga, ya que por otro lado, el calor radiante vara en cantidad, para un ligero grado, con variaciones de la carga, el porcentaje de calor total transferido por radiacin, es mayor a bajas cargas que a cargas elevadas. La resistencia total, para la transferencia de calor del hogar al agua, es la suma de las siguientes resistencias, dadas en orden descendente de acuerdo a su magnitud:

1. Resistencia a la conveccin, a travs de las capas de estancamiento de gases y estacionamiento de agua y vapor.

2. Resistencia a la conduccin, a travs del holln y la incrustacin.

3. Resistencia a la conduccin, a travs de la pared metlica del tubo.

4. Resistencia a la conduccin externa de las molculas, de un cuerpo a las de otro, es decir de una de las capas a la siguiente.

Para todos los fnes prcticos esta ltima resistencia es despreciable.

El efecto de las resistencias sobre el lado de fuego de la pared metlica es impedir la entrada de calor a la pared, reduciendo as el rgimen de transferencia de calor, y la eficacia de la caldera como un todo.

El efecto de las resistencias sobre el lado de agua es impedir que el calor salga de la parte metlica. Estas resistencias no solo reducen el rgimen de transferencias de calor, sino que tambin causan temperaturas altas en las paredes metlicas, con el posible peligro de que el metal se recaliente y se queme.

Para obtener el mximo rgimen de transferencia de calor, es esencial, por consiguiente, que:

a). Las superficies generadoras de calefaccin, lados de fuego y agua, sean mantenidas tan limpias como sea posible.

b). Las pelculas de estacionamiento de gas, agua y vapor sean eliminadas, o reducidas al espesor mnimo practicable.

La limpieza de las superficies de calefaccin, se mantiene por mtodos apropiados de operacin de calderas, y por un tratamiento correcto del agua de alimentacin, para eliminar o neutralizar las impurezas, que forman incrustaciones en el interior de los tubos. La reduccin en el espesor de las pelculas de estacionamiento de gas, agua y vapor, se logra diseando la caldera, de modo tal que al aumentar la velocidad de flujo, de los gases de la combustin del agua y vapor, se limpien las superficies de calefaccin, y tiendan a remover o romper las pelculas.

Tema 1 punto 6. CARACTERSTICAS BSICAS DE CONSTRUCCIN DE LAS CALDERAS.

En general, una caldera consta de las siguientes partes:

1. El hogar, en el cual el combustible se quema, y desde el cual, el calor se transmite a las superficies generadoras de calefaccin.

2. La caldera propiamente dicha, que consiste de un recipiente cerrado de presin que contiene originalmente el agua, de donde el vapor es generado. Este recipiente puede consistir de un solo colector, o de una combinacin de colectores, conectados por tubos alrededor de los cuales los gases de la combustin circulan, y a los cuales el calor es transmitido por los gases. La caldera en si, incluye las superficies de transferencia de calor.

3. La tubera interna y las conexiones externas, a travs de las cuales el agua de alimentacin, se suministra a la caldera.

4. La tubera interna y conexiones externas, a travs de las cuales el vapor de la caldera, es conducido hacia afuera.

5. Diversos accesorios e instrumentos cuyos propsitos son: controlar la operacin de la caldera, y para asegurar esta de las averas debidas a diferentes causas.

Las partes mencionadas anteriormente son esenciales, para cualquier caldera, no importando el tipo que sea. Adems de estas caractersticas bsicas, un nmero de aparatos adicionales han sido desarrollados,

algunos de los cuales, o todos pueden ser instalados, en una unidad generadora de vapor, estas partes adicionales pueden ser divididas de acuerdo, con sus funciones primarias, en dos clases, como sigue:

a). Aquellos que son diseados principalmente, para aumentar la eficiencia total de la unidad generadora de vapor, utilizando el calor remanente en los gases de combustin, despus que ellos han pasado por la superficie de calefaccin de la unidad, ya que de otra manera se perdera en la atmsfera. Esta clase incluye a los economizadores y a los calentadores de aire.

b). Aquellos que tiendan a controlar, y regular el grado de recalentamiento del vapor antes, o durante su paso, a travs de la maquinaria impulsada por l. Esta clase incluye los recalentadores y desrecalentadores.

La transferencia de calor por el proceso de conveccin conduccin, requiere un diferencial grande de temperatura entre los gases de combustin, y las superficies de calefaccin que reciben el calor. Los gases que salen de los espacios generadores, por supuesto contienen una considerable cantidad de calor, que ordinariamente pasara, a travs de la caja de humos, y la chimenea, para perderse en la atmsfera. Ya que la temperatura del vapor saturado se aumenta, con la presin, la temperatura de los gases de combustin deber aumentarse, de acuerdo, con las altas presiones usadas en la caldera, con el consecuente aumento de prdidas de calor por los gases de escape, de aqu la disminucin de la eficiencia de la caldera.

A una presin dada, la temperatura de los gases de escape, vara en los diferentes tipos de calderas, dependiendo mayormente, de la eficiencia de la transferencia de calor, de la disposicin de las superficies generadoras de calefaccin, y de otros factores.

Con el objeto de conservar, hasta donde sea posible el calor contenido en los gases de escape, dos equipos son instalados en las calderas modernas: Los economizadores (precalentadores de agua), y los calentadores de aire, pero debido a la limitacin de espacio existente a bordo de los buques, solamente uno de estos equipos, un economizador o un calentador de aire, se instala en una caldera naval. Como el aire es un conductor de calor ms pobre que el agua, un precalentador de aire diseado, para tomar cierta cantidad de calor de los gases de escape, requiere una mayor superficie de transferencia que la que necesitara un economizador. Por lo tanto en las calderas navales de ltimo diseo, solamente se instalan economizadores, para recobrar parte del calor de los gases de escape, que de otro modo se perderan en la atmsfera. Estas unidades aumentan considerablemente la eficiencia total de una caldera.

Un economizador, es un conjunto de tubos situado encima del haz de tubos generadores, y conectados, a travs de la tubera externa al sistema de agua de alimentacin, de tal modo que el agua fluye a travs de los tubos, antes de entrar a la caldera. Los gases calientes de escape fluyen alrededor de los tubos, transmitindoles su calor y elevando as la temperatura del agua de alimentacin, ahorrando de esta forma una gran parte de calor de escape que de otro modo se perdera.

Adems, esta misma cantidad de calor tendra que aadirse en la caldera, si no se dispusiera de un economizador, por tanto el resultado final por el uso de este equipo, es un ahorro en el combustible quemado. Este ahorro representa, aproximadamente el 1 por ciento por cada 10 grados farenjeit, que elevan la temperatura del agua de alimentacin, a travs del economizador. Ya que existe un alto gradiente de temperatura entre los gases de escape, y el agua relativamente fra que pasa a travs del economizador, se obtiene una transferencia de calor ms efectiva que en la ltima etapa de la parte generadora de vapor de la caldera, donde el vapor y el agua, estn a temperaturas relativamente altas, con respecto a la combustin de los gases, de aqu que el gradiente de temperatura es bajo. La tendencia moderna en los diseos de caldera, es aumentar la superficie del economizador, y disminuir proporcionalmente la superficie generadora de vapor.

Una comparacin, entre las temperaturas de los gases de escape, de dos calderas de diseos similares, donde una no tiene economizador, mientras que la otra tiene un 30 por ciento de economizador (es decir, el rea del economizador es un 30 por ciento del rea total de calefaccin, de toda la unidad generadora de vapor, incluyendo las superficies de calefaccin del recalentador y economizador). Esto demuestra que el economizador, en este caso particular, causa una reduccin de las temperaturas de los gases de escape, que vara entre los 85 grados, a baja carga (bajo rgimen de combustin), y 175 grados farenjeit, a toda carga.

Un calentador de aire o precalentador, es un conjunto de tubos, colocados en la caja de humos y dispuestos de tal forma, que los gases de ste fluyen sobre la superficie exterior de los tubos, mientras que el aire, que se suministra al hogar, para mantener la combustin del combustible, fluye por el interior de los tubos antes de entrar en el hogar. Otro tipo de precalentador, consiste en una serie de espacios cerrados de placas planas, y paralelas colocadas de tal manera, que los gases de escape, y el aire fluyen, a travs de los espacios alternos comprendidos entre las placas.

La principal ventaja, que resulta de la instalacin de economizadores, y calentadores de aire es:

a). Ahorro del calor que de otro modo se perdera, y por tanto aumenta la eficiencia total de la caldera. (Esto es de mucho valor, ya que evita la cada de la eficiencia, a los altos regmenes de velocidad).

Una comparacin de la distribucin del calor, en calderas con, y sin economizadores, y calentadores de aire; se notar que la prdida de calor por la chimenea, es aproximadamente un 70 por ciento mayor, en las calderas que no tienen estos equipos de ahorrar calor; las principales desventajas en estas unidades son:

a). Peso adicional, y espacio (los calentadores de aire son inapropiados en los buques).

b). Las fugas de aire de los tubos precalentadores, generalmente no pueden ser localizadas, sino, hasta que la corrosin haya aumentado mucho, necesitndose un mayor trabajo de reparacin.

Se obtienen algunas ventajas por el calentamiento de aire que es usado, para mantener la combustin del combustible y son:

a). Una inmediata y completa combustin del combustible, por el calentamiento del aire.

b). Se requiere menos exceso de aire.

c). Las temperaturas del hogar son aumentadas, trayendo por consecuencia, que una mayor proporcin del calor desprendido en el hogar, se trasmita directamente a la superficie de calefaccin, por radiacin y menos por conveccin.

Las modernas calderas navales, son diseadas a fin de que el aire, circule en el espacio comprendido entre la doble envolvente. El aire que se suministra al hogar, circula entre la envolvente interna y la externa. El calor, que normalmente se perdera, a travs de la envolvente interna, es absorbido por el aire, y enviado de nuevo al hogar.

Recalentadores. Todas las turbinas navales modernas de propulsin, as como tambin algunas pequeas unidades, se disean, para operar con vapor recalentado, para lograr este propsito, se les instalan los recalentadores. Hay tres tipos generales de recalentadores:

1). Integral y no controlable.

2). De fuego separado.

3). Integral controlable, y de fuego separado.

Un recalentador integral no controlable, consiste de un conjunto de tubos, de varias formas que se encuentran colocados en una caldera, ya sea entre el haz de tubos generadores, o inmediatamente en la parte superior de ellos.

Un recalentador de fuego separado, es similar en su apariencia, y construccin a una unidad generadora de vapor saturado, pero se usa principalmente, para recalentar el vapor saturado, que ha sido enviado a l, desde otras unidades generadoras.

Un recalentador integral, controlable, y de fuego separado se halla, dentro de la envolvente de la caldera, pero separado de los elementos generadores de vapor por una pared divisoria. l tiene su propia rea de combustin, y de suministro de combustible, haciendo un fuego separado, lo cual tiene un control directo sobre el recalentador.

En cada tipo, el vapor saturado procedente de la unidad generadora principal, o unidades, es llevado a los recalentadores, donde su temperatura se eleva, a la cantidad que se desee, antes de ser llevado a las mquinas.

Desrecalentadores. El uso de vapor recalentado de alta temperatura, requiere el uso de aleaciones especiales de acero, para construir los recalentadores, tuberas de vapor y maquinaria. Para economizar material, la mayor parte de la maquinaria auxiliar, se disea, para ser operada solamente, con vapor saturado. El vapor, para este propsito, se enva a la maquinaria auxiliar, por la tubera de vapor auxiliar. El vapor saturado, es por consiguiente til, dentro del colector de vapor de todas las calderas. Sin embargo, las calderas que tienen recalentador integral, y no controlable, deben ser provistas de un medio para asegurar un flujo de vapor, a travs del recalentador, siempre que estn encendidos los hogares. Este flujo de vapor, al pasar, a travs de los recalentadores absorbe calor, impidiendo que el recalentador se caliente excesivamente, o sufra averas que traeran como consecuencia la distorsin, o fundicin de las superficies metlicas. Para realizar lo anterior, es necesario que todo el vapor generado en el colector de vapor, pase a travs del recalentador; la porcin de vapor requerida, para los aparatos auxiliares, es entonces llevada por un tubo en forma de serpentn, sumergido en el espacio de agua del colector de vapor. Este serpentn se llama desrecalentador. La cantidad deseada de vapor, se lleva por tubos, desde la salida del recalentador, a la entrada del desrecalentador, cediendo al pasar, a travs de l su exceso de calor, al agua que lo rodea, que se encuentra a la temperatura de saturacin, el vapor abandona el desrecalentador, para entrar a la lnea auxiliar de vapor, a una temperatura aproximada a la de saturacin. En las calderas que tienen recalentador de fuego separado, los fuegos bajo los recalentadores pueden ser apagados, cuando la caldera est usndose, para suministrar vapor saturado solamente. Mientras que los fuegos de la unidad generadora de vapor, continan encendidos, sin daar a los recalentadores. En tales casos los desrecalentadores no son instalados, y el vapor auxiliar se toma directamente del colector de vapor, sin pasar a travs del recalentador.

CAPTULO 2. CLASIFICACIN DESCRIPTIVA.

Tema 2 punto 1. GENERALIDADES. Mientras las caractersticas esenciales, se encuentran en cualquier caldera, los mtodos empleados para la combinacin de estas caractersticas, dentro de una unidad generadora de vapor, (esto es diseo de la unidad, as como de los detalles internos de su operacin, en los procesos de combustin, y generacin de calor y vapor), varan considerablemente. Hay por consiguiente, muchos diseos de calderas que son clasificados bajo numerosos grupos. Sin embargo, para el propsito de este texto, dos clasificaciones generales pueden ser aplicadas a cualquier caldera:

1. Clasificacin por la situacin relativa, de los espacios de combustin y agua.

2. Clasificacin por los mtodos de circulacin del agua.

Tema 2 punto 2. CLASIFICACIN POR LA SITUACIN RELATIVA, DE LOS ESPACIOS DE COMBUSTIN Y AGUA. Clasificando las calderas, por la situacin relativa de los pasos de flujo de los gases de combustin y del agua y vapor, las calderas se dividen en dos tipos generales.

1. Calderas de tubos de fuego.

2. Calderas de tubos de agua.

Las Calderas de tubos de agua se dividen a su vez, en dos tipos que son:

1. Caldera tipo exprs de tres colectores.

2. Caldera tipo exprs de dos colectores.

Tema 2 punto 3. CALDERAS DE TUBOS DE FUEGO. Hace aproximadamente 100 aos, todo el vapor usado, para la propulsin de buques, fue generado en calderas de tubos de fuego, (los gases por la parte interior de los tubos); la caldera escocesa era el tipo ms popular de tales unidades, tanto, para el servicio naval de guerra, como para el mercante. Una caldera escocesa, era una pesada e inflexible estructura, que muy raras veces se construa, para operar en presiones, que excedieran las trescientas libras sobre pulgada cuadrada. Sus caractersticas de circulacin son relativamente pobres.

En los comienzos del siglo 20, se tomaron medidas activas tanto en la marina de guerra, como en la marina mercante, para explorar las posibilidades de las calderas de tubos de agua. La falta de conocimiento apropiado, de las condiciones del agua de alimentacin, hizo que los primeros progresos fueran lentos, con las calderas mencionadas, en el campo de la marina de guerra, pero su ventaja esencial para este servicio venci gradualmente, la resistencia a su uso, de tal manera que hoy en da su aceptacin, es casi universal en los nuevos buques de propulsin a vapor.

Las calderas de tubos de fuego, tienen las siguientes ventajas sobre otros tipos de calderas marinas, que operan a presiones menores de trescientas libras sobre pulgada cuadrada y son:

1. Sencillez de construccin.

2. Requieren menos atencin en estado de operacin, en lo referente a los cambios rpidos de presin, debido a su gran volumen de espacio de vapor, y a la gran cantidad de agua contenida, misma que permite amplias fluctuaciones en el rgimen de combustin.

3. El empleo de aguas impuras, no causa un grave dao, en virtud de la baja temperatura a que estas calderas operan; la formacin de incrustaciones, es menos dura y densa, debido a la gran cantidad de agua, y como consecuencia menor concentracin de sales que forman la incrustacin.

4. Facilidad de inspeccin, reparacin y limpieza, debido a los grandes espacios en el interior de la caldera, y la facilidad de acceso a los mismos.

Este tipo de caldera, es inadaptable en buques de guerra por las razones siguientes:

a). Peso excesivo, por unidad de peso de vapor generado.

b). Excesivo tiempo, para levantar presin.

c). Falta de flexibilidad, para la maniobra, es decir, incapacidad debido al gran volumen de agua, para responder rpidamente a las variaciones de vapor requeridas, cuando la velocidad del buque cambia rpida y radicalmente.

d). Presin limitada, alrededor de trescientas libras sobre pulgada cuadrada, en tanto que los modernos equipos de mquinas propulsoras, requieren altas presiones y vapor recalentado.

e). Debido al gran volumen, y alta temperatura del agua desahogada, en caso de una explosin, una ruptura o impacto, en una batalla ofrecera un gran peligro.

Tema 2 punto 4. CALDERAS DE TUBOS DE AGUA. Una caldera de tubos de agua, es una unidad generadora de vapor, en la cual el agua y el vapor circulan, a travs de una serie de pequeos tubos y colectores, mientras que los gases de la combustin, pasan alrededor de los elementos que contienen agua y vapor. Todas las calderas navales de tubos de agua, tienen las siguientes ventajas:

1. Menor peso por unidad de potencia generada.

2. Mayor facilidad de montaje, y desmontaje a bordo de los buques, debido a que son ms pequeas y ligeras.

3. Se requiere de menos tiempo, para levantar presin, y mayor flexibilidad, para maniobrar, debido a la pequea cantidad de agua que contienen.

4. Mayor seguridad, para las altas presiones, y alto grado de recalentamiento, en el vapor requerido, en las instalaciones navales modernas.

5. Mayor capacidad, para mantener la eficiencia (operar con altos regmenes de vapor), debido a la ms completa y rpida circulacin del agua, que se lleva el calor de la superficie de calefaccin.

Referente a la clasificacin de las calderas de tubos de agua, podemos distinguir dos tipos generales:

a). Tipo exprs de tres colectores, y

b). Tipo exprs de dos colectores.

La diferencia principal, entre estos dos tipos, est en el nmero, y colocacin de los colectores y tubos que contienen agua y vapor, as como en el tamao de los tubos.

Tema 2 punto 5. CLASIFICACIN SEGN EL TIPO DE CIRCULACIN DEL AGUA. Las calderas de tubos de agua, se clasifican, de acuerdo, con los mtodos de circulacin del agua contenida y son como siguen:

1. Circulacin natural: Esta a su vez se subdivide en dos tipos:

a. Libre, y

b. Acelerada.

La gran mayora de las calderas estacionarias, y marinas son del tipo de circulacin natural. Esta designacin se aplica a todas las calderas, en las cuales la circulacin del agua, a travs de los circuitos de la caldera, depende nicamente de la diferencia de densidades, entre un cuerpo que desciende (agua relativamente fra), y de otro cuerpo que asciende (agua caliente), que contiene burbujas de vapor. La cantidad de agua de alimentacin suministrada, es siempre igual a la cantidad de vapor generado.

2. Circulacin libre: Es obtenida en una caldera, que consiste de tubos generadores, ligeramente inclinados, que conectan dos colectores de agua, con un colector de vapor; los colectores de agua, reciben el agua relativamente fra, que entra en los tubos.

Como el agua en los tubos recibe calor de los gases del hogar, se hace menos densa, y asciende a la parte superior de los tubos, asimismo el vapor formado fluye hacia el colector de vapor; el agua caliente y el vapor, son reemplazados por ms agua relativamente fra, que proviene del colector inferior; en resumen, los tubos generadores reciben agua del colector de agua, y descargan al colector de vapor.

3. Circulacin acelerada: Es la que ocurre en las calderas, que se componen de uno o ms colectores que estn a un nivel elevado, y conectados por tubos a otro colector o colectores a un nivel ms bajo. El agua de alimentacin, entra a la caldera por el colector superior, y desciende al inferior, a travs de los tubos ms fros, clasificados como tubos de circulacin (estos estn colocados en la parte ms lejana del hogar), siendo protegidos de ste por hileras de tubos generadores. En la mayora de las calderas se colocan tubos adicionales, usualmente de mayor dimetro, que el de los tubos generadores y de circulacin, los cuales estn instalados en la parte exterior de la envolvente, rodeando al hogar y a la caldera propiamente dicha, a fin de ayudar a la circulacin del agua, en su movimiento descendente. Tales tubos, son conocidos, con el nombre de tubos descendentes. El agua caliente y el vapor, retornan al colector superior, por el interior de los tubos generadores, que estn expuestos al calor radiante del hogar, y a los gases calientes de la combustin; el rgimen de circulacin se acelera por la tendencia del vapor, y el agua ms caliente a ocupar la parte superior de los tubos. Los tubos descendentes proveen un positivo suministro de agua, ms densa, relativamente fra, al colector o colectores inferiores, para desplazar el agua y el vapor, que ascienden al colector superior, a travs de los tubos generadores.

En algunas calderas, a un alto rgimen vaporizante todos los tubos de la misma son tubos generadores, excepto los tubos descendentes, que en este caso son de tal dimetro y nmero, que es mayor la cantidad de agua que fluye que la transformada en vapor, cuando la caldera est trabajando a su mxima capacidad. Todas las calderas navales modernas, son del tipo de circulacin acelerada.

Tema 2 punto 6. CALDERAS AUXILIARES. El trmino calderas auxiliares, se usa, para definir una gran variedad de calderas pequeas, que se emplean en los buques de propulsin diisel, para suministrar vapor a las plantas destiladoras, calentadores de combustible, de agua, cocina y lavandera. Estas calderas estn equipadas, con todos sus equipos auxiliares, y accesorios, y los controles estn dispuestos, para que las mismas operen como plantas generadoras de vapor completas. De acuerdo con su diseo, las calderas auxiliares estn divididas de la siguiente manera:

1. Calderas de tubos de agua, circulacin natural.

2. Calderas de tubos de fuego.

El primer tipo, es el de mayor uso en el servicio naval hoy en da.

En los buques de propulsin a vapor, el vapor requerido, para la calefaccin, y evaporadores, es suministrado por las calderas principales. En caso de que no haya vapor disponible en el buque, como ocurre, durante las reparaciones generales, una caldera auxiliar porttil (llamada caldera donky), se instala a bordo, para suministrar el servicio requerido.

Tema 2 punto 7. REQUISITOS PARA LAS CALDERAS NAVALES. La fuerza del impulso tomado en el desenvolvimiento de las modernas calderas navales, ha sido dirigido hacia un tipo de caldera menos pesada, eficiente y segura, a manera de poder construir buques ms potentes, ms rpidos y ms ligeros, para los fnes de guerra. A causa de las condiciones peculiares bajo las cuales las calderas navales deben operar, y la necesidad imperiosa de un trabajo econmico y seguro, de todas las partes de una unidad generadora de vapor, son necesarios un mnimo de requisitos, para la operacin satisfactoria de una caldera naval. Estos requisitos son expuestos a continuacin:

1. Un mnimo de espacio y peso obtenido por:

a). Circulacin acelerada de agua.

b). Aumento de la velocidad de los gases de combustin, y de aqu un aumento de transferencia de calor, por unidad de rea de la superficie de calefaccin.

c). Aumento en la carga del hogar, es decir, un aumento en el rgimen de consumo de combustible, por pie cbico de volumen del hogar.

2. Mxima flexibilidad, es decir, capacidad, para mantener la presin del vapor constante, como ocurre en las amplias y rpidas fluctuaciones del consumo de vapor, como durante la maniobra del buque, y habilidad, para levantar presin rpidamente, desde la condicin de apagado, obtenido por:

a). Gran volumen del espacio de vapor.

b). mplia relacin entre la superficie de calefaccin, y el volumen de agua contenido.

c). Sencillez en el control de combustin.

3. Alto factor de seguridad, es decir, trabajando la caldera a su mxima presin y temperatura de diseo, permite una seguridad, y operacin eficiente, que no le afecten por los disparos de can o movimiento del buque, con un alto factor de seguridad, obtenido por:

a). Correcto diseo, construccin e instalacin de la caldera.

b). Correcto diseo del recalentador, y control del mismo.

4. Mxima eficiencia, entre amplios lmites de regmenes de vapor generado, obtenido por:

a). Correcta distribucin del calor absorbido, en la caldera y el economizador.

b). Reduccin de prdidas de calor posibles, hacia el cuarto de calderas por un adecuado, y efectivo aislamiento.

c). Instalacin de instrumentos adecuados, y accesorios a fin de asegurar un conocimiento continuo, por el personal operador, de las condiciones en que trabajan todas las partes de la caldera.

5. Mxima accesibilidad, para limpieza, inspeccin y reparacin, obtenida por:

a). Un correcto diseo e instalacin.

CAPTULO 3. LIMITACIONES EN LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA.

Tema 3 punto 1. GENERALIDADES. La capacidad de una caldera, se define como el rgimen de produccin de vapor, cuando opera bajo las condiciones especificadas, del suministro de agua de alimentacin, combustible y aire, esto origina una buena calidad del vapor al dejar dicha caldera, y se expresa en libras de agua vaporizada por hora. Para cualquier caldera dada, la capacidad est limitada por tres caractersticas principales de operacin, que son:

1. Circulacin del agua.

2. Humedad arrastrada en el vapor.

3. Rgimen de combustin.

Cuando el rgimen de vapor, generado en una caldera se aumenta, se alcanza un punto donde se hace imposible continuar aumentndolo, debido a las limitaciones propias de la misma, con respecto a una o ms de estas caractersticas. Este punto es referido, como el punto lmite, para la caracterstica particular de operacin, que determina el lmite de generacin de vapor, en la caldera que se est considerando. El punto lmite se expresa como el rgimen de generacin de vapor, en el momento en que se alcanza dicho punto.

Tema 3 punto 2. PUNTO LMITE POR CIRCULACIN DE AGUA. En las calderas de tubos de agua, el agua contenida circula, a travs de uno o ms circuitos cerrados, formados por los colectores, tubos, cabezales, y otras partes similares, mismos que varan de acuerdo a la caldera. En el caso de las calderas de tubos de fuego, no existen tales circuitos cerrados y la nica circulacin, que se efecta es la originada en las corrientes de conveccin, que se producen en la gran masa de agua contenida en la envuelta de la caldera. En el caso de las calderas de tubos de agua, especialmente en aquellas del tipo exprs, existen condiciones enteramente distintas.

En los circuitos de agua, y vapor de una caldera de tres colectores, del tipo exprs tpica, cada haz (banco) de tubos consta de veinte o treinta hileras de tubos, de las cuales la hilera "A", est expuesta directamente al calor que se rada, desde el piso, y las paredes del horno, as como a las llamas, y a los gases calientes que resultan de la combustin. La hilera "Z" est resguardada de la radiacin, por las hileras de tubos intermedias, y recibe el calor por conveccin y conduccin, y de los gases relativamente ms fros que atraviesan el haz de tubos. El agua entra al colector de vapor y cuando la caldera est fra, fluye hacia abajo, a travs de los tubos a los colectores de agua, llenando estos colectores y la totalidad de los tubos; el agua de alimentacin suministrada a la caldera es regulada, a fin de mantener un nivel especificado en el interior del colector de vapor, durante todo el tiempo.

Cuando la caldera se enciende, el calor entra a los tubos, el agua contenida en los tubos empieza a calentarse, y como consecuencia su densidad disminuye. Como los tubos prximos a la hilera "A", reciben el calor, con mayor intensidad, el vapor se formar primero en estos tubos, y las burbujas de vapor, pasarn, a travs de los tubos, hasta el colector de vapor. El agua contenida en los tubos prximos a la hilera "Z", que estn expuestos a los gases de combustin ms fros, permanecern relativamente fros, de tal manera que una diferencia de densidades existe, entre el agua, y el vapor de las hileras de tubos que se encuentran cerca del horno, y las hileras de tubos de agua que se hallan ms alejadas del horno. Esta diferencia de densidades, trae como consecuencia una corriente ascendente de agua y vapor en la hilera "A", y una corriente descendente de agua en la hilera "Z", originando as una circulacin continua de agua, a travs de los circuitos de la caldera. A fin de mantener un alto rgimen de transferencia de calor, de los gases de la combustin al agua, a travs de las paredes del tubo, esta circulacin debe ser suficientemente rpida, para limpiar la superficie del tubo en contacto, con el agua, y as reducir a un mnimo la pelcula de

agua y vapor que se forma en ella. Adems, como el rgimen de transferencia de calor a los tubos por radiacin es alto, una continua circulacin de agua deber mantenerse, a travs de los tubos, expuestos al calor radiante, y en cantidad suficiente, para arrastrar el calor tan rpido como se recibe, evitando el recalentamiento de los tubos. A medida que el dimetro del tubo sea ms pequeo, mayor ser la relacin del rea de la superficie de calefaccin, con respecto al volumen de agua contenida, y por consiguiente, mayor ser el rgimen de vaporizacin, y la proporcin del vapor de agua en el tubo. El dimetro ms pequeo del tubo, debajo del cual la relacin de vapor al agua empieza a ser prohibitiva, es determinada en cada tipo de caldera, por experimentos prcticos y pruebas de laboratorio.

El rgimen de liberacin de calor, o rgimen de combustin, en el horno, determina el rgimen de generacin de vapor en los tubos. A bajos regmenes de combustin, con menores cantidades de gases de combustin, el calor radiante, desde el piso, y paredes del horno tiene un efecto preponderante. Los gases se enfran ms rpidamente, cuando pasan por el haz de tubos y el vapor se genera, solamente en las primeras hileras de tubos ms cercanas al horno. El agua y el vapor se elevan en estos tubos, y el agua desciende en todos los otros tubos, a un rgimen suficiente, para balancear la corriente ascendente, de agua y vapor de las hileras de tubos generadores. Cuando el rgimen de combustin aumenta, mayor cantidad de gases de combustin fluyen, a travs del haz de tubos. El efecto del calor radiante, desde las paredes del horno no aumenta mucho, pero la temperatura de los gases de combustin s aumenta. Este aumento en el flujo de gases de combustin y en temperatura, tambin aumentar la cantidad de calor transferido a los tubos. Este incremento, es mayor en las hileras de tubos ms cercanos al horno, que en las que estn alejadas, de tal manera que hay un nmero mayor de tubos con circulacin ascendente de agua y vapor, reduciendo as el nmero de tubos, con circulacin descendente de agua. Segn se aumenta el rgimen de combustin, ms tubos se convierten en tubos generadores, y an menos tubos siguen siendo de flujo descendente de agua, hasta que se llega a un punto tal, donde la cantidad de agua descendente, es insuficiente, para balancear la cantidad de agua y vapor ascendente, y algunos tubos cercanos al horno se secan, se recalientan y fallan, originando que se quemen estos. Esta condicin determina el punto lmite, para la circulacin.

Para aumentar el rgimen de vapor generado por una caldera, ms all del punto lmite de circulacin de agua, es necesario aumentar el rea, para la circulacin descendente del agua. Esto se realiza por medio de los tubos descendentes, que son tubos de mayor dimetro, (de tres o ms pulgadas de dimetro) que conectan los colectores de vapor y agua, situados en la parte exterior de la envolvente que contiene a los hornos y a los tubos generadores, de tal manera que ellos no reciben el calor de los gases de combustin. Instalando un nmero suficiente de tubos descendentes de tamao adecuado, el rgimen de combustin, (la generacin de vapor), puede ser aumentado, hasta que todos los tubos pequeos se conviertan en tubos generadores, con circulacin ascendente de agua y vapor, y toda la circulacin descendente se efecta por los tubos descendentes.

No debe considerarse, sin embargo, que la explicacin dada anteriormente, de un cuadro completo, del proceso de circulacin, en cada tipo de caldera de tubos de agua, bajo todas las condiciones de operacin. Hay ciertos factores que producen variaciones de las condiciones, estos factores son:

a). Colocacin de los quemadores, ya sea en el extremo, o al costado de la caldera.

b). Colocacin de las placas deflectoras, si son instaladas, en los haces de tubos.

c). Colocacin y tamao de los tubos descendentes, si son instalados.

d). Colocacin de los tubos en los haces.

e). Rgimen de vaporizacin, es decir, rgimen de la generacin, o produccin del vapor (libras por hora), o de consumo de combustible (expresado usualmente, en libras por hora por pie cuadrado de superficie de calefaccin).

La gran mayora de las calderas marinas, del tipo exprs de tres colectores, son de tipo de hornos en el extremo, es decir, los quemadores estn instalados en el extremo del horno, entre los colectores de agua. El principio establecido, que en una caldera de tres colectores, la circulacin es siempre ascendente en las primeras hileras de tubos, y descendentes en las hileras de tubos alejadas del horno, requiere modificacin, ya que es verdad, para todas las condiciones de vaporizacin, solamente en el caso de calderas de tres colectores, con hornos laterales, los procesos de circulacin de las calderas de tres colectores y hornos en el extremo, son en cierto modo complejos, siendo una combinacin del proceso y la llamada circulacin dougnut, que ocurre en estas calderas, en cierta extensin, en todos los regmenes de vaporizacin, pero es ms marcada en altos regmenes. Este proceso est caracterizado por una corriente ascendente de agua y vapor, en los tubos colocados cerca de la parte posterior del horno, y una corriente descendente de agua, en los tubos cercanos al frente del horno, (en el extremo donde se colocan los quemadores). Esto es debido al hecho de que la corriente de aire que pasa, a travs de las aberturas de quemadores, en el frente de fuego del horno arrastra la llama, y los gases de combustin hacia la parte posterior del horno, originando una concentracin de calor, que trae como resultado, una aceleracin en la generacin de vapor, y por lo tanto circulacin ascendente en esta regin. A bajo rgimen de vaporizacin, con menos aire requerido, para la combustin, la entrada de flujo de aire es menor, de tal modo que la llama y los gases calientes, no son llevados, con tanto mpetu hacia la parte posterior del horno, y el calor es mejor distribuido, sobre las hileras de tubos de fuego lateral.

En algunas calderas, son instalados deflectores en los haces de tubos, para dirigir el flujo de los gases de combustin por caminos determinados. Estos pueden ser o bien de ladrillos refractarios, o de lmina metlica. La extensin y colocacin de estos deflectores, tiene un efecto definido sobre la distribucin del calor en la caldera, y por consiguiente afecta la circulacin del vapor y el agua en los tubos. En las calderas navales modernas, es necesaria una alta velocidad en la circulacin de los gases, para permitir que el volumen de aire requerido entre en el horno, para altos regmenes de combustin. Esto requiere conductos relativamente rectos, y no restringidos, a travs de la caldera, desde el horno, hasta la caja de humos. Por lo tanto el uso de deflectores de gases es limitado en estas calderas.

Como se ha explicado, es posible instalar tubos descendentes, de capacidad total suficiente, para hacer que toda la circulacin descendente de agua, a altos regmenes de vaporizacin, ocurra en esos tubos descendentes, con circulacin ascendente, en todos los tubos generadores de ambos haces. En una caldera, con tubos descendentes, de menos de la capacidad mxima, la circulacin descendente tendr que ocurrir, por algunos de los tubos generadores en todas las regiones de vaporizacin. Prcticamente todas las calderas modernas tienen algunos tubos descendentes, cuyo tamao y nmero depende, de la mxima capacidad generadora deseada en la caldera, y de la capacidad total de los tubos generadores disponibles, para la circulacin descendente a su mximo rgimen de vaporizacin.

La distribucin de los gases de la combustin, en su paso a travs de los haces de tubos, depende de la disposicin de los mismos. En regiones en donde los tubos estn en un espacio cerrado, el volumen de gases que fluye, y por lo tanto la cantidad de calor transferido, es menor que en las regiones donde los tubos tengan un espacio ms amplio. Variando el espacio entre tubos todo lo que se pueda, es posible, por consiguiente, controlar la circulacin del agua y vapor en cierto grado. En los primeros diseos de la caldera exprs, los tubos en la parte frontal, de las primeras dos hileras de cada haz del lado de fuego, eran instalados, y dirigidos de tal manera, que se entrecruzaban, para formar una pared slida en cada haz, sirviendo como placa desviadora, para dirigir el flujo de los gases hacia el extremo posterior del haz de tubos. Igualmente una segunda placa desviadora se forma, en la parte posterior de cada haz por las dos hileras ms alejadas del horno, de tal modo que los gases pasan entre los haces en la parte superior, despus hacia arriba y hacia adelante, para salir a la caja de humos cerca del frente de la caldera. Esta disposicin, resulta en una concentracin de gases ms calientes en la parte posterior de la caldera, aumentando la circulacin dougnut. El aumento de la circulacin dougnut, no es deseable en las calderas

modernas. En stas lo normal es eliminar parcialmente la circulacin dougnut por el diseo de la pared del horno. La parte inferior del fondo, y las paredes laterales del horno son inclinadas, para deflectar los gases, con suavidad. En las calderas que tienen paredes enfriadas por agua, los efectos combinados de los tubos, parcialmente empernados en la parte posterior, y los de la parte frontal completamente empernados, tienden hacia la igualacin de las temperaturas, de los gases que entran en los haces de tubos.

Tema 3 punto 3. PUNTO LMITE POR ARRASTRE DE HUMEDAD DEL VAPOR. Cuando el vapor, se produce en el interior de los tubos de una caldera de tubos de agua, las burbujas de vapor formadas se elevan rpidamente, a travs de ellos, escapando por su parte superior, hacia el colector de vapor debajo del nivel de agua, como las burbujas al elevarse, a travs del agua, irrumpen en la superficie ms o menos violentamente (dependiendo esto de la rapidez de la circulacin del agua, en los circuitos de la caldera), el vapor as liberado, tiende a llevarse consigo pequeas gotas de agua, (humedad). El vapor es recogido por el tubo secador, ste es un tubo largo que corre a lo largo del colector de vapor, y lo ms cerca posible de la parte superior, y tiene pequeos agujeros o ranuras delgadas, practicadas a todo lo largo de su parte superior.

Esta disposicin causa que el vapor siga un cambio brusco en su direccin, cuando entra por las aberturas de la parte superior del tubo secador, dando como resultado, la separacin de alguna humedad del vapor por la fuerza centrfuga, antes de que ste deje la caldera. El vapor abandona la caldera, a travs de la tubera que conecta con el tubo secador, y pasa a las mquinas, a travs del recalentador si es instalado. Las especificaciones, para una maquinaria naval, limitan la cantidad de humedad en el vapor, a un punto 25 por ciento, para el vapor saturado.

Adems de las razones previamente establecidas, el vapor hmedo es indeseable tambin, porque cualquier material insoluble, presente en el agua de la caldera es arrastrado, y depositado en los tubos del recalentador, donde forma incrustaciones, y por lo tanto resistencia a la transmisin del calor. La humedad puede tambin formar incrustaciones en las paletas de las turbinas, y en otras partes de la maquinaria, donde causa corrosin, erosin, y posiblemente un desbalance en las delicadas partes rotatorias perfectamente balanceadas. La eliminacin de la humedad, en los arrastres de las calderas, es por consiguiente, un punto de considerable importancia.

En una caldera que tenga un gran colector de vapor, con su respectiva rea de superficie de agua, la separacin de la humedad del vapor es un problema relativamente simple. Las calderas navales modernas, tienen sin embargo, pequeos colectores de vapor, con pequeas reas de superficie de agua, y por lo tanto complican el problema de la obtencin de vapor seco. Esta condicin, se agrava mucho ms, por los altos regmenes de vaporizacin, requeridos en las calderas modernas, lo cual causa que la accin del vapor al romper la superficie del agua, sea muy violenta, arrastrando grandes cantidades de partculas de agua, que son llevadas, con el vapor al tubo secador. Las altas presiones del vapor, ahora en uso, son otro factor que aumenta la cantidad de agua arrastrada. Como las presiones aumentan, aumentar tambin la densidad del vapor proporcionalmente, acercndose a la densidad del agua, de tal modo que un volumen de vapor puede arrastrar con l, una gran cantidad de humedad. La capacidad de una caldera puede limitarse, por consiguiente, por excesivo arrastre de humedad, si el rgimen de vaporizacin se aumenta ms all de ciertos lmites, y ste punto determina el punto lmite, para la humedad arrastrada por el vapor.

Para mantener este punto tan alto como sea posible, esto es, permitir un alto rgimen de vaporizacin, sin un excesivo arrastre de humedad, en las calderas modernas se instalan deflectores especiales, separadores y pantallas, para separar la humedad del vapor, antes de que ste entre al tubo secador.

Tema 3 punto 4. PUNTO LMITE POR COMBUSTIN. La combustin, es la rpida unin qumica del oxgeno, con otros elementos, con desprendimiento de calor. Cualquier sustancia que contenga elementos, que se combinen rpidamente, con el oxgeno, y si tal sustancia, es capaz de producir calor, para propsitos tiles, es un combustible. Los combustibles ms comunes son: madera, hulla, carbn, aceites y varias clases de gases, con sus derivados: el alcohol, gasolina, carbn vegetal, coque, todos los buques de guerra utilizan los derivados del petrleo, como combustible.

El proceso de quemar el combustible, dentro del horno de una caldera, para el propsito de la presente es suficiente establecer que este proceso consiste de:

1. Calentar el combustible a una cierta temperatura, que depende de las caractersticas particulares del combustible usado.

2. Forzar el combustible calentado, dentro del horno, a travs de un dispositivo llamado atomizador, el cual divide el combustible, en una lluvia de partculas muy finas.

3. Forzar el aire al interior del horno, de manera que ste entre en forma de una corriente turbulenta, y pueda mezclarse completamente, con el combustible pulverizado.

El aire suministra el oxgeno requerido, para soportar la combustin del combustible. Si este y el aire se mezclan ntimamente, en proporciones correctas, y a una temperatura apropiada, se obtendr una combustin completa, es decir, que todos los elementos que constituyen el combustible, se combinarn completamente, con el oxgeno del aire, y los gases que resultan de esta combustin, contendrn producto quemado, y la mxima cantidad posible de calor se producir en el horno.

Mientras que es relativamente fcil, forzar la suficiente cantidad de aire al horno, resulta un problema difcil lograr que el combustible, y el aire se mezclen ntimamente, en las proporciones correctas, a fin de que se produzca una combustin completa. Normalmente se requiere, una cantidad definida de exceso de aire, para mantener, y obtener este resultado. La temperatura del aire y el combustible, se mantienen lo suficientemente altas, para soportar la combustin, por el calor mismo de la combustin y por el calor que radan las paredes, y piso del horno. La velocidad de los gases de la combustin se mantiene alta, por la diferencia de presiones, que existe entre el horno, y la parte superior de la caja de humos, y por el rea limitada, a travs de la cual los gases deben pasar por entre el haz de tubos, desde el horno, hasta la chimenea. Si el combustible y el aire no se mezclan ntimamente, ni en las proporciones correctas en el horno, la combustin ser incompleta y el combustible no quemado, ser llevado conjuntamente, con los gases de combustin, los cuales se enfran cuando ellos transfieren su calor a los tubos. Al chocar los gases, con los tubos el combustible no quemado, forma holln alrededor de ellos, y este holln aumenta la resistencia, para la transferencia de calor a los tubos, aumentando as las prdidas que se originan, mediante una combustin incompleta. Bajo cargas pesadas en el horno, es decir, altos regmenes de combustin, traen como consecuencia una alta velocidad de los gases, a travs de los haces de tubos, caja de humos y chimenea, provocando que el combustible no quemado, y el aire se mezclen despus que ellos hayan salido del horno, a una temperatura suficientemente alta, para hacer que dicho combustible se queme, originando una combustin secundaria, que tendr lugar en el haz de tubos, en la caja de humos, y, hasta en la base de la chimenea. Esto origina una alta temperatura en la chimenea, dando como resultado una prdida de calor, y en casos extremos puede llegar a causar la emisin de llamas por la chimenea, con el consecuente deterioro de la misma, y peligro, para las superestructuras vecinas. Este fenmeno es ms comn que ocurra, en calderas dotadas de deflectores en el haz de tubos, o reguladores de tiro en la caja de humos, los cuales interfieren la libre salida de los gases, esto resulta perjudicial, en la distribucin normal de calor absorbido, por las superficies generadoras de calor, prdida de calor por la chimenea, y una consecuente disminucin en la eficiencia de la caldera. Esto puede prevenirse,

suministrando un adecuado abastecimiento de aire, a fin que la mezcla de combustible aire, tenga lugar en las proporciones correctas.

La completa atomizacin del combustible, y su mezcla ntima, con la cantidad correcta de aire para producir la combustin perfecta, son funciones del quemador de combustible. La combustin y la correcta distribucin del calor generado en ella (cuando las prdidas debido a la combustin son reducidas al mnimo), son funciones de diseo del horno, haz de tubos y caja de humos, y dependen tambin de la operacin apropiada, desde el punto de vista de las presiones y temperaturas del combustible y el aire.

La mxima cantidad de combustible que puede quemarse, de manera correcta y eficiente, en una caldera dada, se limita por:

1. La cantidad de aire que puede forzarse hacia el interior del horno.

2. La capacidad de los quemadores, para mezclar este aire con el combustible.

3. Por el volumen y forma del horno. Esta cantidad mxima de combustible determina el punto lmite, para una combustin.

En una caldera correctamente diseada, el punto lmite, para una combustin, debe ocurrir a un rgimen ms bajo de generacin de vapor, que el punto lmite, para arrastre de humedad, y este ltimo debe ocurrir antes que se alcance el punto lmite, para la circulacin. Estos puntos lmites estn dispuestos, para que ocurran en este orden, para seguridad del personal y equipo. Cuando este punto lmite de combustin se alcanza, se ver humo negro en la caja de humos, como primera prueba de insuficiencia de aire. La combustin secundaria, emisin de llamas, puede ocurrir pero generalmente no producir daos materiales a la caldera. Los peligros, para el personal tambin son insignificantes. Si el punto lmite, para arrastre de agua del vapor se alcanza, es posible que dae el equipo, hasta cierto punto aunque no lo aparente. La humedad o el material insoluble arrastrado, formar incrustaciones en los tubos del recalentador, o en las paletas de la turbina, causando corrosin, erosin y desbalance en las partes rotatorias. Los peligros para el personal tambin son insignificantes. Cuando el punto lmite por circulacin de agua se alcanza, habr una gran avera en el material, y muy probables lesiones al personal. El metal derretido de los tubos quemados, y los salideros de vapor de las tuberas, o envolventes averiadas son grandes daos, para la caldera, y probables lesiones al personal. Debe mantenerse constantemente, en la mente, que el punto lmite para la combustin, es el nico que puede ser alcanzado en una caldera que est diseada, y operada propiamente.

CAPTULO 4. CARACTERSTICAS GENERALES, EN EL DESARROLLO DE LAS CALDERAS EXPRS.

Tema 4 punto 1. GENERALIDADES. Una caldera tipo exprs es una caldera de tubos de agua, diseada especialmente, con tubos relativamente pequeos y ligeros, para hacerla ms compacta, y facilitar una rpida generacin de vapor.

Todos los buques de guerra modernos, estn equipados con calderas de este tipo. Todas las calderas navales modernas contienen las mismas caractersticas fsicas esenciales, pero tienen muchas variaciones en los detalles de construccin, de acuerdo con las diferentes ideas particulares de los diseadores.

Tema 4 punto 2. CALDERAS QUE SOLAMENTE GENERAN VAPOR SATURADO. Las calderas tipo exprs, para generar vapor saturado, fueron el primer paso en el desarrollo de las calderas. Estas aunque en el presente se usan poco, fueron un gran adelanto, en relacin con las calderas de tubos de fuego, y las grandes de tubos de agua.

Las caractersticas principales de la caldera de tres colectores, son las siguientes:

1. El colector de vapor, cuyos elementos de agua y vapor constituyen la parte ms alta del mismo.

2. Los colectores de agua, dos en nmero, forman las partes ms bajas de los elementos que contienen agua y vapor.

3. Los tubos, en dos haces, conectan los colectores de agua y vapor, en la forma de la letra "A", (debido a esta forma las calderas de este tipo son algunas veces llamadas calderas tipo A).

4. Un hogar en forma de caja, construido de planchas de acero, suspendido de los colectores de agua, y recubierto, con materiales aislantes y refractarios.

5. Vigas y soportes, sobre los que la caldera descansa, los soportes estn asegurados a la estructura del buque.

6. La envolvente aisladora de planchas de acero. La que encierra la caldera, para confinar los gases de la combustin, y conectarla, con la caja de humos.

Los tubos descendentes, pueden estar o no instalados. Esto depende de si se necesitan o no, tubos descendentes, para elevar el punto lmite por circulacin al mximo deseado.

Tema 4 punto 3. CALDERAS CON RECALENTADOR SIN CONTROL. Todas las calderas modernas del tipo exprs estn equipadas, con recalentadores, economizadores y desrecalentadores. En referencia a los recalentadores, los siguientes trminos son aplicados:

Integral: Instalado como una parte de la caldera.

Intertubular: Instalado entre los tubos del haz de tubos generadores.

De conveccin: Que obtiene el calor por conveccin.

De conveccin radiante: Que obtiene su calor, por una combinacin de conveccin y radiacin.

No controlable: Donde el grado de recalentamiento, a cualquier rgimen dado de vaporizacin, no puede cambiarse deliberadamente, aumentando o disminuyendo la intensidad de fuegos, sin causar un aumento o una disminucin, en la presin del vapor, la cual debe ser mantenida constante, bajo cualquier condicin.

Controlable: En el cual el grado de recalentamiento, a cualquier rgimen dado de vaporizacin, puede cambiarse deliberadamente, aumentando o disminuyendo la intensidad de los fuegos, sin causar un aumento o una disminucin, en la presin del vapor, la cual debe mantenerse constante, bajo todas las condiciones.

Para suministrar vapor saturado, con fnes auxiliares cuando el vapor principal est cerrado, sin incurrir en daos en el recalentador, el vapor, para fnes auxiliares, es conducido, desde la descarga del recalentador, a travs del serpentn del desrecalentador, a la vlvula de cierre de vapor auxiliar.

Cuando una caldera se enciende estando fra, tiene que haber un periodo de tiempo, en que el vapor no pasa del colector de vapor al recalentador, y por lo tanto no hay medio de conducir el calor absorbido, por los tubos del recalentador de los gases de la combustin. Para proporcionar un flujo de vapor, a travs de los tubos del recalentador, antes de encender los fuegos de una caldera fra, el vapor de una caldera auxiliar (vapor del astillero, o de otro buque, si no hay caldera auxiliar a bordo) es tomado de la lnea auxiliar de vapor, e introducido al recalentador, a travs de la vlvula de proyeccin, pasando a la entrada del mismo, a travs de los tubos, saliendo por la descarga, a travs del desrecalentador, pasando a la lnea de descarga auxiliar, a travs de la vlvula de descarga de proteccin del recalentador. Despus de que se ha formado vapor, en el colector de la caldera, y la presin alcanza aproximadamente 100 libras sobre pulgada cuadrada, la vlvula de proteccin del recalentador, puede cerrarse. La caldera entonces suministra, su propio vapor de proteccin. Despus que la caldera ha sido conectada a la lnea auxiliar de vapor, la vlvula de proteccin del escape del recalentador, puede cerrase. La vlvula de descarga de proteccin del recalentador, se usa tambin cuando se retira la caldera, mientras las paredes de ladrillo refractario del hogar estn radiando calor.

La verdadera construccin de los tubos del recalentador, es en forma de "U", en los extremos de los tubos, por la parte posterior de la caldera. Un extremo de cada tubo est conectado a un cabezal del recalentador, y el otro extremo al otro cabezal. Los cabezales son de forma tubular.

Los extremos de los tubos ms prximos al hogar, entran a un cabezal, y aquellos ms lejanos del hogar entran a otro cabezal. Ambos cabezales son de la misma longitud, pero el cabezal inferior, est construido, con una pared divisoria transversal, cerca de la mitad. El vapor saturado del colector de vapor de la caldera entra al recalentador, a travs de la conexin de 6 pulgadas, colocada en la mitad superior del cabezal, fluye a travs de los tubos en "U", en esta mitad a todo lo largo del hogar, y regresa, para entrar al otro cabezal, al cual entran los tubos restantes en forma de "U", pasando a todo lo largo del hogar una vez ms, y retornando al cabezal dividido, y saliendo de l, a travs de la conexin de descarga de 7 pulgadas, como vapor recalentado.

La caldera exprs de dos colectores tipo "DE", fue un desarrollo de la caldera tipo "A", para uso en los buques. Se caracterizan, como su nombre lo indica, porque tiene solamente dos colectores, uno de vapor y uno de agua, y adems un cabezal de agua a un costado. El colector de agua, colocado inclinado, de acuerdo con un ngulo debajo del colector de vapor. La pared lateral y la posterior del hogar as como el piso, son enfriados por agua.

La caldera inclinada tipo "DE", fue modificada en el diseo, para ajustarse a los requerimientos de la Marina de los Estados Unidos, para los destructores escoltas, y es conocida como caldera de destructores escolta o caldera DE. El cabezal de pared se conserv; pero los tubos del piso, se eliminaron por la instalacin de tubos descendentes, en cada extremo del colector de agua, y un tubo descendente en cada extremo del cabezal de pared, (localizados por supuesto por la parte exterior del hogar). El diseo en general se hizo estndar, y solamente los accesorios se variaron, de acuerdo, con los diseos de los diferentes fabricantes.

Tema 4 punto 4. CALDERAS CON RECALENTADOR SEPARADO. (Recalentamiento controlado en el hogar).

Colocando un recalentador, de gran capacidad en una unidad separada, y generando el vapor saturado en una o ms calderas, puede enviarse a la unidad recalentadora, donde su temperatura puede controlarse,

por la variacin del rgimen de combustin en el recalentador de la caldera, mientras la presin del vapor se mantiene constante, variando los regmenes de combustin, de las calderas de vapor saturado.

En una caldera de recalentador separado, la pantalla de tubos de agua, del haz de tubos, protege los tubos del recalentador del intenso calor radiado por el hogar. Esto ocasiona que algo de vapor saturado sea generado. Este vapor es enviado, desde el colector a la admisin del cabezal del recalentador, donde se combina con el vapor procedente de las calderas, vapor saturado y fluye a travs de los tubos del recalentador, y sale como vapor recalentado a las mquinas principales. En una instalacin de seis calderas de vapor saturado, que suministra vapor a dos calderas recalentadoras, la caldera, con recalentador separado no tiene conexin, con la lnea de vapor auxiliar, y no fue usada, para generar vapor saturado. Fue usada en conjuncin, con una o ms calderas. Los desrecalentadores y las conexiones de proteccin de descarga del vapor del recalentador, no son necesarias en estas calderas.

Desde el punto de vista naval, la caldera de recalentador separado, es indeseable, ya que una avera en una de las calderas del recalentador, obligara al oficial maquinista, bien a parar las mquinas principales o a operar las mquinas principales, con potencia reducida, con el vapor recalentado procedente de otra caldera recalentadora, o a usar el vapor saturado procedente de las calderas de saturado, en la mitad de sus mquinas principales, lo que ocasionara la posibilidad de avera en las paletas de las turbinas, trabajando a reduccin ms pequea de potencia, pero aumentara grandemente a altas velocidades debido a la humedad del vapor. Otra desventaja que debe considerarse, es que a bajos regmenes de vaporizacin, el uso de una caldera, con gran recalentador, producira una reduccin en la economa de la planta, considerada como un todo.

Tema 4 punto 5. CALDERAS DE HOGAR DIVIDIDO (TIPO "A") CON RECALENTADOR INTEGRAL DE FUEGO SEPARADO, TIPO CONVECCIN. Sera mucho mejor tener un hogar recalentador separado integral, con cada caldera de vapor saturado, de tal manera que la avera en una caldera, no afectara el grado de recalentamiento de la planta, considerada como una unidad. El desrecalentador, y las vlvulas de descarga y proteccin del recalentador no son necesarios en esta caldera, ni en cualquier caldera, con recalentador de fuego separado.

Los tubos alimentadores del cabezal de la pared divisoria, suministran agua relativamente fra a la pared, para la circulacin positiva, en los tubos de la misma. Los tubos de agua, son doblados, para permitir la expansin y contraccin, debida a los cambios de temperatura.

Tema 4 punto 6. CALDERAS DE HOGAR DIVIDIDO (TIPO "A"), CON RECALENTADOR TIPO CONVECCIN RADIACIN, CONTROLABLE Y DE FUEGO SEPARADO. En una caldera, con recalentador controlable, cuyos tubos estn expuestos al calor radiante del hogar del recalentador; los gases de combustin del lado de recalentamiento, pasan entre los tubos recalentadores del lado derecho, (adyacentes al haz de tubos generadores del lado izquierdo), transversalmente al hogar de saturado, y a travs del haz de tubos generadores de la derecha, hacia la caja de humos, pasando por el haz de tubos del economizador. El mayor recalentamiento se obtiene de los gases por radiacin, aunque tambin es obtenido por conveccin, a medida que los gases pasan entre el haz de tubos del lado derecho del recalentador, de aqu la clasificacin de conveccin radiacin.

Tema 4 punto 7. CALDERA DE HOGAR DIVIDIDO (TIPO "M"), CON RECALENTADOR DEL TIPO DE CONVECCIN Y CAJA DE HUMOS SIMPLE. La ventaja del espacio ahorrado en una caldera de caja de humos simple, y la experiencia a bordo, con la caldera tipo "A", de doble caja de humos (doble economizador), descrita en el tema 4 punto 5, trajo como consecuencia, el desarrollo de la caldera de caja de humos simple. El haz de tubos generadores que forman la pantalla de agua, y su colector de agua, fueron cambiados a una posicin casi vertical, y este haz de tubos, lleg a ser originalmente una pantalla de agua, para el recalentador. Este haz, junto con el haz de

tubos del recalentador, forman la pared divisora entre los dos hogares. La mitad inferior de la hilera de los tubos, de la pantalla de agua adyacente al hogar de vapor saturado, est empernada y cubierta, con un material plstico refractario (mineral plstico de cromo), para formar un tabique, con propsito de:

1). Evitar las corrientes turbulentas (corrientes de eddy), y desviar los gases de combustin del hogar de saturado, a la parte del haz de tubos del recalentador, especialmente cuando la caldera est evaporando, para aparatos auxiliares solamente (como en puerto).

2). Desviar los gases de combustin del hogar de recalentamiento, hacia la parte superior del hogar del saturado, donde ellos pueden pasar hacia la caja de humos, sin desviar los fuegos del hogar de saturado, de tal manera que obliga al combustible no quemado, a que no entre en el haz de tubos generadores, y produzca depsitos de holln y carbn en el interior.

El haz de tubos en el lado de la caja de humos, es mayor porque casi todo el vapor saturado, se genera en ese haz. La pared exterior del hogar del recalentador, es refrigerada, con agua por medio de los tubos empernados, que estn cubiertos por un mineral plstico de cromo; para la circulacin es suministrada agua relativamente fra a la pared de agua del cabezal, as como tambin a los colectores de agua, por medio de varios tubos descendentes instalados, como es en la prctica por la parte exterior de las envolventes interiores, y alejados del calor del hogar. En muchas calderas encontramos que el vapor hace cuatro pasos.

Tema 4 punto 8. CARACTERSTICAS DE OPERACIN DE LAS CALDERAS DE DOS Y TRES COLECTORES. Todas las calderas exprs, tienen ciertas caractersticas de operacin que son comunes al tipo, sin tomar en cuenta, las diferencias en caractersticas fsicas existentes en los diseos particulares. Estas caractersticas son:

1. Facultad, para levantar presin rpidamente. Esto se realiza:

a. Proveyendo una gran rea de superficie de transferencia de calor, (superficie generadora de vapor), en proporcin al volumen de agua contenida, mediante el uso de un gran nmero de tubos pequeos, conectados a los colectores de agua y vapor.

b. Diseando la caldera de tal manera, que produzca una circulacin positiva acelerada, de toda el agua contenida en su interior, bajo todas las condiciones de operacin, para la mxima capacidad de evaporacin, con relacin al diseo de la caldera; esto se realiza, por medio de los tubos descendentes.

2. Facilidad de control, para conseguir rpidas variaciones en el rgimen de vaporizacin, que requieren los buques en la demanda de vapor. Esto se realiza:

a. Diseando la caldera de tal manera que el volumen de agua contenido sea relativamente pequeo.

b. Empleando un colector de vapor relativamente grande, para mantener una reserva de abastecimiento de vapor, en caso de que su demanda aumente, o para actuar como depsito, que aloje el exceso de vapor en caso de que su demanda disminuya rpidamente.

3. Por un alto rgimen de vaporizacin; esto es, la capacidad, para generar una gran cantidad de vapor, en el menor espacio y peso posible, requerido por una caldera. Esto se realiza por:

a. Una eficiente disposicin de los tubos.

b. Una amplia circulacin.

c. La obtencin de un rgimen lo ms alto posible, de transferencia de calor de los gases de combustin al agua.

Tema 4 punto 9. CARACTERSTICAS DE OPERACIN DEL RECALENTADOR, QUE SON AFECTADAS POR EL DISEO EN LAS CALDERAS DE RECALENTADOR INTEGRAL, Y NO CONTROLABLE. La siguiente discusin, se aplica a las calderas de dos y tres colectores. En una caldera de hogar dividido, y en calderas de recalentadores de fuegos separados, es posible controlar continuamente la temperatura de descarga del recalentador, variando el rgimen de combustin en el hogar del recalentador. No obstante, en una caldera de recalentador integral y no controlable, la temperatura de recalentamiento variar las condiciones de operacin, y no puede ser controlada por ningn medio manual. En la siguiente discusin solamente consideraremos, los recalentadores, en las calderas de recalentador integral no controlable, y que tienen hogares simples.

Los factores de diseo, que afectan el grado de recalentamiento son:

1. La posicin del recalentador.

2. El rea de la superficie de transferencia de calor del recalentador, y el nmero de pasos, efectuados por el vapor, a travs del mismo.

3. La colocacin de los deflectores de gases, y la disposicin de los espacios intertubulares.

4. El diseo del hogar, incluyendo la colocacin de los quemadores.

5. El tipo de recalentador instalado.

Una vez que en la caldera, se produzcan los efectos de los factores anteriormente mencionados, no podrn ser variados, a no ser que se altere el diseo de la caldera. La colocacin del recalentador, ha sido mencionada previamente. En general mientras ms cerca al hogar sea situado el haz de tubos del recalentador, mayor ser el grado de recalentamiento alcanzado, para cualquiera de las condiciones de operacin. Con la colocacin determinada de un recalentador, el grado de recalentamiento, para cualquier condicin de operacin, puede ser aumentado o disminuido, variando el rea diseada de la superficie de transferencia de calor, y por el aumento o disminucin del nmero, y disposicin de los pasos, que el vapor debe efectuar, a travs del conjunto de tubos del recalentador, antes de abandonar la caldera.

La colocacin de los deflectores de gases o el uso de los espacios intertubulares, afectar la temperatura de recalentamiento, diseada en proporcin al volumen, temperatura y velocidad de flujo de los gases, que pasan a travs del conjunto de tubos del recalentador.

El diseo del hogar afectar el recalentamiento, especialmente en relacin, con la ubicacin de los quemadores. En calderas de tres colectores de fuego en el extremo, donde los quemadores, estn situados debajo del haz de tubos del recalentador, o debajo del haz opuesto, afectar el grado de recalentamiento, obtenido, para cualquier rgimen de combustin.

El tipo de recalentador instalado, (ya sea de conveccin, radiacin o conveccin radiacin), afecta el grado de recalentamiento, produciendo variaciones, con los cambios en el rgimen de combustin, desde baja a mxima carga. En plantas diseadas, para usar vapor que tenga solamente un bajo grado de recalentamiento, (100 grados farenjeit, o un poco ms de la temperatura de saturacin) la fluctuacin de la temperatura del vapor, no constituye un asunto de gran importancia. Sin embargo, con el alto recalentamiento en las modernas instalaciones navales, donde la temperatura del vapor recalentado, es tan alta como 950 grados farenjeit (con un grado de recalentamiento, de 400 grados farenjeit a 500 grados

farenjeit), las variaciones en las temperaturas de descarga del recalentador, deben conservarse a un mnimo, debido a tres razones principales:

1. La amplia o frecu